Para que una célula solar genere corriente a partir de la exposición a la luz, los electrones deben excitarse, pero también deben canalizarse asimétricamente para separar los portadores de carga. En otras palabras, se necesitan más electrones en una dirección que en la otra para generar su flujo neto de electrones. Tradicionalmente, uno genera la asimetría al introducir una interfaz entre dos materiales y al elegir esos materiales de manera que los electrones prefieran ir en una dirección. El silicio ha sido una opción estándar de semiconductores por dos razones. Primero, su banda prohibida cae en el espectro visible, por lo que puede absorber gran parte de la luz que golpea la superficie de la Tierra. En segundo lugar, y lo más importante, el silicio es un material muy bien estudiado debido a la industria de circuitos integrados. La física del dispositivo de silicio ahora se entiende bien, y el arte de producir muestras de alta pureza (con técnicas de dopaje apropiadas para introducir la asimetría de transporte del portador) se perfecciona en gran medida. El punto importante aquí es que el silicio no fue elegido porque es óptimo con respecto a las restricciones físicas. Simplemente ha sido óptimo financieramente porque los científicos pueden aprovechar la enorme inversión de la otra industria de semiconductores (mucho más grande).
¿Por qué se prefiere el silicio para hacer paneles solares?
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Para ampliar lo que dijo Todd, el silicio es un semiconductor. Los semiconductores tienen propiedades que se encuentran en algún lugar entre un conductor (metal) y un aislante. Los conductores transportan bien la corriente eléctrica pero no pueden “empujar” las cargas a través de un cable para generar trabajo utilizable ya que no pueden sostener un campo eléctrico interno. Los aisladores básicamente no tienen cargas libres para generar una corriente ya que la energía requerida para liberar incluso los electrones más externos es mayor que la que proporcionan las condiciones normales. Nada fundamentalmente diferente acerca de los semiconductores de los otros dos, excepto que el intervalo de banda de un semiconductor cae convenientemente entre el del conductor y el del aislador. Pero ahora podemos controlar la creación y migración de portadores de carga encendiendo una luz (con una energía mayor que la brecha de banda) y ajustando la unión pn.
Hay una razón por la cual el silicio es generalmente el semiconductor de elección: el silicio es arena. Es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre, aparte del oxígeno. Hay materiales con espacios de banda más ideales para la eficiencia de la célula solar (CdTe – 1.49 eV, GaAs – 1.43 eV), pero son significativamente más caros de producir y el silicio (a 1.1 eV) está lo suficientemente cerca.
Para trabajos recientes sobre materiales alternativos, aquí hay un artículo que encontré recientemente. Los autores revisaron y seleccionaron algunos otros buenos candidatos para paneles solares, pero, como ha escrito Lulu Liu, el silicio es abundante y barato.
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