Una célula fotollétrica, tamién llamada celda, fotocélula o célula fotovoltaica, ye un dispositivu electrónicu que dexa tresformar la enerxía llumínica (fotones) n'enerxía llétrica (fluxu d'electrones llibres) por aciu l'efeutu fotoeléctricu, xenerando enerxía solar fotovoltaica. Compuestu d'un material que presenta efeutu fotoeléctricu: absuerben fotones de lluz y emiten electrones. Cuando estos electrones llibres son prindaos, el resultáu ye una corriente llétrica que puede ser utilizada como lletricidá.
La eficiencia de conversión media llograda poles célules disponibles comercialmente (producíes a partir de siliciu monocristalino) ta alredor del 16%, pero según la teunoloxía utilizada varia dende'l 6% de les célules de siliciu amorfo hasta'l 22% de les célules de siliciu monocristalino. Tamién esisten les célules multicapa, de normal d'arseniuro de galiu, qu'algamen eficiencies del 30%. En llaboratoriu superóse'l 46% con célules esperimentales.
La vida útil media a máximu rendimientu asítiase alredor de los 25 años, periodu a partir del cual la potencia apurrida mengua per debaxo d'un valor considerable.
Al grupu de célules fotoeléctrequiers pa enerxía solar conózse-y como panel fotovoltaico. Los paneles fotovoltaicos consisten nuna rede de célules solares coneutaes como circuitu en serie p'aumentar la tensión de salida hasta'l valor deseyáu (usualmente utilícense 12 V o 24 V) al empar que se conecten delles redes como circuitu paralelu p'aumentar la corriente llétrica que ye capaz d'apurrir el dispositivu.
El tipu de corriente llétrica qu'apurren ye corriente continua, polo que si precisamos corriente alterna o aumentar la so tensión, vamos tener qu'añader un inversor y/o un convertidor de potencia
Historia
El efeutu fotovoltaico foi esperimentalmente demostráu per primer vegada pol físicu francés Edmond Becquerel. En 1839, a los 19 años, construyó la primer célula fotovoltaica del mundu nel llaboratoriu del so padre. Willoughby Smith describió per primer vegada'l «Effect of Light on Selenium during the passage of an Electric Current» [Efeutu de la lluz sobre'l seleniu mientres el pasu d'una corriente llétrica] el 20 de febreru de 1873 na revista Nature. En 1883 Charles Fritts construyó la primer célula fotovoltaica d'estáu sólidu por aciu el recubrimientu del seleniu semiconductor con una capa delgada d'oru pa formar les uniones; el dispositivu tuvo solo alredor del 1% d'eficiencia.
En 1888 el físicu rusu Aleksandr Stoletov construyó la primer célula basada nel efeutu fotoeléctricu esternu descubiertu por Heinrich Hertz en 1887.
En 1905 Albert Einstein propunxo una nueva teoría cuántica de la lluz y esplicó l'efeutu fotoeléctricu nun artículu de referencia, pol que recibió'l Premiu Nobel de Física en 1921."The Nobel Prize in Physics 1921: Albert Einstein", Nobel Prize official page
Vadim Lashkaryov afayó uniones p-n en CuO y protocélulas de sulfuru de plata en 1941.V. Y. Lashkaryov, Investigation of a barrier layer by the thermoprobe method, Izv. Akad. Nauk SSSR, Ser. Fiz. 5, 442-446 (1941), English translation: Ukr. J. Phys. 53, 53-56 (2008),http://ujp.bitp.kiev.ua/files/journals/53/si/53SI11p.pdf
Russell Ohl patentó la moderna célula solar n'unión semiconductora en 1946"Light sensitive device" Issue date: June 1946 mientres trabayaba na serie de meyores que conduciríen al transistor.
La primer célula fotovoltaica práutica amosóse públicamente'l 25 d'abril de 1954 nos Llaboratorios Bell. El inventores fueron Daryl Chapin, Calvin Souther Fuller y Gerald Pearson.
Les célules solares adquirieron notoriedá cola so incorporación nel satélite artificial Vanguard I en 1958, y el so subsiguiente usu en satélites más avanzaos, mientres la década de 1960.
Les meyores fueron graduales mientres les siguientes dos décades. Sicasí, esti ésitu foi tamién la razón de que los costos caltuviérense altos, porque los usuarios d'aplicaciones espaciales taben dispuestos a pagar les meyores célules posibles, ensin tener nenguna razón pa invertir nes de menor costu, en soluciones menos eficientes. El preciu taba determináu en gran parte pola industria de los semiconductores; el so treslláu a los circuitos integraos na década de 1960 llevó a la disponibilidad de lingotes más grandes a precios relativamente más baxos. Al cayer el so preciu, el preciu de les célules resultante tamién la fixo. Estos efeutos baxaron los costos en 1971 a unos $ 100 por vatiu.
Principiu de funcionamientu thumb|350px|Esquema del campu llétricu creáu nuna célula fotovoltaica por aciu la unión pn ente dos capes de semiconductores dopados. Nun semiconductor espuestu a la lluz, un fotón d'enerxía arrinca un electrón, creando al empar un «Buecu d'electrón buecu» nel átomu escitáu. De normal, l'electrón atopa rápido otru buecu pa volver enllenalo, y la enerxía proporcionada pol fotón, por tanto, esténase en forma de calor. El principiu d'una célula fotovoltaica ye obligar a los electrones y a los buecos» a avanzar escontra'l llau opuestu del material en llugar d'a cencielles recombinarse nél: asina, va producise una diferencia de potencial y polo tanto tensión ente les dos partes del material, como asocede nuna pila.
Pa ello, créase un campu llétricu permanente, al traviés d'una unión pn, ente dos capes dopadas respeutivamente, p y n. Nes célules de siliciu, que son mayoritariamente utilizaes, atopar por tanto:
La capa cimera de la celda, que se compón de siliciu dopado de tipu n.Una pequeña proporción d'átomos de siliciu sustituyir por un elementu de valencia cimera na tabla periódica, esto ye, que tien más electrones nel so capa de valencia que'l siliciu. El siliciu tien 4 electrones na so capa de valencia: pueden utilizase elementos del columna 15, por casu, fósforu. Nesta capa, hai un númberu d'electrones llibres mayor que nuna capa de siliciu puro, d'ende'l nome del dopaxe n, negativu. El material permanez llétricamente neutru, yá que tantu los átomos de siliciu como los del material dopante son neutros: pero la rede cristalina tien globalmente una mayor presencia d'electrones que nuna rede de siliciu puro.
La capa inferior de la celda, que se compón de siliciu dopado de tipu p.Por un elementu de valencia menor que'l siliciu. Puede ser boru (B) o otru elementu de la columna 13.Esta capa tien polo tanto una cantidá media d'electrones llibres menor qu'una capa de siliciu puro. Los electrones tán amestaos a la rede cristalina que, arriendes d'ello, ye llétricamente neutra pero presenta buecos, positivos (p). La conducción llétrica ta asegurada por estos portadores de carga, que se mueven por tol material.
Nel momentu de la creación de la unión pn, los electrones llibres de la capa n entren instantáneamente na capa p y se recombinan colos buecos na rexón p. Va Esistir asina mientres tola vida de la unión, una carga positiva na rexón n a lo llargo de la unión (porque falten electrones) y una carga negativa na rexón en p a lo llargo de la unión (porque los buecos sumieron); el conxuntu forma la Zona de Carga d'Espaciu» (ZCE) o "zona de barrera" y esiste un campu llétricu ente los dos, de n escontra p. Esti campu llétricu fai de la ZCE un diodu, que solo dexa'l fluxu de portadores nuna direición: N'ausencia d'una fonte de corriente esterior y so la sola influencia del campu xeneráu na ZCE los electrones solo pueden movese de la rexón p a la n, pero non na direición opuesta y pela cueta los buecos nun pasen más que de n escontra p.
En funcionamientu, cuando un fotón arrinca un electrón a la matriz, creando un electrón llibre y un buecu, sol efeutu d'esti campu llétricu cada unu va en direición opuesta: los electrones atropar na rexón n (pa convertise en polu negativu), ente que los buecos atropar na rexón dopada p (que se convierte nel polu positivu). Esti fenómenu ye más eficaz na ZCE, onde cuasi nun hai portadores de carga (electrones o buecos), yá que son anulaos, o na cercanía inmediata a la ZCE: cuando un fotón crea un par electrón-buecu, dixebráronse y ye improbable qu'atopen al so opuestu, pero si la creación tien llugar nun sitiu más alloñáu de la unión, l'electrón (convertíu en buecu) caltién una gran oportunidá pa recombinarse antes de llegar a la zona n. Pero la ZCE ye necesariamente bien delgada, asina que nun ye útil dar una gran espesura a la célula.Sicasí, puede dáse-y una forma ondulada, p'aumentar la superficie activa. Efeutivamente, la grosez de la capa n ye bien pequeñu, una y bones esta capa solo precísase básicamente pa crear la ZCE que fai funcionar la célula. Sicasí, la grosez de la capa p ye mayor: depende d'un compromisu ente la necesidá d'embrivir les recombinaciones electrón-buecu, y pela cueta dexar la captación del mayor númberu de fotones posible, pa lo que se riquir cierta mínima espesura.
En resume, una célula fotovoltaica ye l'equivalente d'un xenerador d'enerxía a la que s'añedió un diodu. Pa llograr una célula solar práutica, amás ye precisu añader contactos llétricos (que dexen estrayer la enerxía xenerada), una capa que protexa la célula pero dexe pasar la lluz, una capa antireflectante pa garantizar la correuta absorción de los fotones, y otros elementos qu'aumenten la eficiencia del mesma.
Téunica de fabricación thumb|Oblees utilizaes pa la so posterior conversión en célules fotovoltaiques, na cinta tresportadora mientres el so procesu de fabricación. thumb|Célules fotovoltaiques llistes pal so usu. El siliciu ye anguaño'l material más comúnmente usáu pa la fabricación de célules fotovoltaiques. Llograr por amenorgamientu de la xil, compuestu más abondosu na corteza de la Tierrasobre manera na arena o'l cuarzu.
El primer pasu ye la producción de siliciu metalúrxico, puru al 98%, llográu de piedres de cuarzu provenientes d'un filón mineral (la téunica de producción industrial nun parte del sable). El siliciu se purifica por aciu procedimientos químicos (Llaváu + Decapado) emplegando con frecuencia destilaciones de compuestos clorados de siliciu, hasta que la concentración d'impureces ye inferior al 0.2 partes per millón. Asina se llogra'l siliciu semiconductor con un grau de pureza cimera al riquíu pa la xeneración d'enerxía solar fotovoltaica. Este constituyó la base del suministru de materia primo p'aplicaciones solares hasta la fecha, representando na actualidá cuasi los trés cuartes partes del suministru de les industries.
Sicasí, pa usos específicamente solares, son abondos (dependiendo del tipu d'impureza y de la téunica de cristalización), concentraciones d'impureces del orde d'una parte por millón. Al material d'esta concentración suélse-y denominar siliciu de grau solar.
Col siliciu fundíu, realízase un procesu de crecedera cristalina que consiste en formar capes monomoleculares alredor d'un xerme de cristalización o d'un cristalito inicial. Nueves molécules xúntense preferentemente na cara onde la so adhesión llibera más enerxía. Les diferencies enerxétiques suelen ser pequeñes y pueden ser modificaes pola presencia de diches impureces o camudando les condiciones de cristalización. La grana o xerme de cristalización que provoca esti fenómenu ye estrayida del siliciu fundíu, que va solidificando de forma cristalina, resultando, si'l tiempu ye abondu, un monocristal y si ye menor, un policristal. La temperatura a la que se realiza esti procesu ye cimeru a los 1500 °C.
El procedimientu más emplegáu na actualidá ye'l Procesu Czochralski, pudiéndose emplegar tamién téuniques de coláu. El siliciu cristalino asina llográu tien forma de lingotes.
Estos lingotes son depués cortaos en llámines delgaes cuadraes (si ye necesariu) de 200 micrómetros d'espesura, que se llamen «oblees». Dempués del tratamientu pa la inyeición del arrequiercíu con dopante (P, As, Sb o B) y llograr asina los semiconductores de siliciu tipu P o N.