L'efecte fotovoltaic és un fenomen fonamental en la conversió d'energia solar a electricitat. Es caracteritza per generar un corrent elèctric quan dos materials diferents estan en contacte i exposats a la llum o radiació electromagnètica.
Aquest efecte s'activa principalment per la llum solar, encara que es pot desencadenar per fonts de llum natural o artificial. No obstant això, a la pràctica, la gran majoria dels panells fotovoltaics fan servir exclusivament la llum solar com a font d'energia.
El físic francès Alexandre-Edmond Becquerel va ser qui va descobrir aquest fenomen el 1839 mentre investigava la interacció entre la llum i l'electricitat, marcant així l'inici del desenvolupament de la tecnologia fotovoltaica.
Ús i aplicacions de lefecte fotovoltaic
L'efecte fotovoltaic és fonamentalment utilitzat per a la generació d'energia elèctrica mitjançant la conversió directa de la llum solar en electricitat. Aquesta aplicació es materialitza en tecnologies com els panells solars fotovoltaics, que fan servir materials semiconductors per aprofitar aquest fenomen.
Els materials semiconductors, com el silici, són fonamentals en aquesta aplicació degut a la seva capacitat per aprofitar lefecte fotovoltaic. Quan els fotons de la llum impacten sobre aquests materials, provoquen una excitació als electrons, generant així corrent elèctric.
Els panells solars, formats per cèl·lules fotovoltaiques, són el pilar d'aquesta tecnologia. Aquestes cèl·lules estan fabricades amb materials semiconductors, generalment silici pur amb impureses controlades, que permeten maximitzar leficiència de conversió de la llum solar en electricitat. Aquest procés és essencial per obtenir energia neta i renovable, contribuint significativament a la mitigació del canvi climàtic ia la independència energètica.
Com funciona
L?efecte fotovoltaic s?inicia en el moment en què un fotó impacta amb un electró de l?última òrbita d?un àtom de silici. Aquest darrer electró s'anomena electró de valència i rep l'energia amb què viatjava el fotó.
El fotó és la partícula elemental portadora de totes les formes de radiació electromagnètica inclosa la radiació solar.
Si l'energia que adquireix l'electró supera la força d'atracció del nucli de l'àtom del silici (energia de valència) aquest surt de la seva òrbita i queda lliure. En quedar lliure, l'electró pot viatjar a través del material conductor formant un corrent continu.
No tots els fotons que arriben a les cèl·lules solars es converteixen en electricitat. Part de la radiació incident es perd per reflexió (rebota) i una altra part per transmissió (travessa la cèl·lula).
Efecte fotoelèctric cel·les fotovoltaiques: generació de corrent
Cada electró alliberat deixa enrere un forat, o espai lliure, fins que l'ocupi un electró que ha saltat d'un altre àtom. Aquests moviments de càrregues elèctriques (electrons) alliberades dels espais que deixen enrere és el que s'anomena corrent elèctric.
Aquest corrent de càrregues pot sortir del material per tal de realitzar un treball útil com ara accionar un motor, alimentar una bombeta, etc. Perquè això passi de manera constant i regular, cal que hi hagi la presència d'un camp elèctric de polaritat constant. Aquest camp polaritza les partícules i actua com una veritable bomba que impulsa els electrons en un sentit i genera forats a l'oposat.
A les plaques solars convencionals, el camp elèctric es forma gràcies al fet que una zona del material té excés d'electrons (càrrega negativa), mentre que l'altra en té carència (càrrega positiva). D'aquesta manera, en alliberar un electró, que té càrrega negativa, és impulsat a través del material fins a la zona on la càrrega és positiva.
Importància dels fotons
Els fotons corresponents a longituds d'ona petites (radiació ultraviolada) són més energètics que els corresponents a longituds d'ona més grans (radiació infraroja).
Cada material semiconductor té una energia mínima que permet alliberar els electrons dels seus àtoms. Aquesta energia correspondrà a fotons d'una determinada banda de freqüències que anirà des dels associats a la ultraviolada fins als colors visibles, llevat del vermell que ja té una energia associada inferior als 1,2 electrovolts.
Per què no tots els fotons es converteixen en electricitat?
No tots els fotons arriben a l'objectiu de separar electrons. Això és perquè en travessar el material els fotons perden energia. De vegades, en el moment de la col·lisió alguns fotons ja han perdut la massa energia per desplaçar un electró.
Així mateix, hi ha un percentatge de fotons que arriben a travessar la làmina de semiconductor sense topar-se amb cap electró i d'altres que són reflectits. En aquests casos no es produiria lefecte fotovoltaic fent saltar els electrons duna capa a una altra.