física de celdas solares

Seminario de ingeniería en energía fotovoltaica: UPEG

Formación de la banda prohibida,o brecha de energía, o band gap, forbidden gap.

andrés alanís


Energy band model

Clasificación de los materiales en función de su resistividad eléctrica

Conductores:Aislantes:Semiconductor2s: entre este intervalo

andrés alanís


Diagrama de bandas simplificado

andrés alanís


Types of semiconductors

andrés alanís


Band gap of semiconductors

The band gap, which is the minimum energy required to catapult an electron out of the valence band varies by material.

It is usually expressed in units of electron-volts [eV].

andrés alanís


Electron-volts to Wavelength conversion

To convert electron-volts into wavelengths of incoming light, we use the formula:

• Small band gap: Long waves (e.g., infrared) can still cause the photo-effect.

• Wider band gap: Long waves can not be converted into an electric current and will just pass through the material unabsorbed.

andrés alanís


Clasificación de los semiconductores en función de su nivel de dopado

1. Semiconductor intrínseco: material semiconductor puro, silicio, germanio, arseniuro de galio, etc. Pureza 7N: 99.99999% Si

2. Semiconductor extrínseco o dopado: material semiconductor impurificado. Se denota por el tipo de dopado. n-Si, p-Si.

3. Semiconductor altamente dopados: alta concentración de impurezas. Se denota por el tipo de dopado (n, p) y un signo +. n+ Si

4. Semiconductor degenerado: tiene las características de un metal. Se denota por dos signos +. E.g., Si n++, Ge p++.

andrés alanís


Intrinsic Semiconductor

• In a pure semi-conductor the outermost electron of the underlying molecule is not heavily bound.

• An incoming photon with enough energy can promote the electron from the valence band to become a free electron in the conduction band. This in turn leaves a positive hole in the valence band.

• The minimum energy that is necessary for this to happen is called the band gap.

andrés alanís


Intrinsic Semiconductor

• The band gap varies from material to material and also varies with temperature, which is why performance of solar modules deteriorates with higher temperatures.

• However, in an intrinsic semiconductor, no resulting electric current is observed, since the promoted electrons re-combine again with the holes.

andrés alanís


Doped Semiconductors

Doping means the addition of a small percentage of foreign atoms in regular crystal lattice of the semiconductor.

• p-type: Adding atoms with one electron less creates a layer with fewer negative electrons in the valence bandIn Silicon, p-type dopants are B, Al or Ga.

• n-type: Adding atoms with one electron more creates a layer with more electrons in the valence band

In Silicon, n-type dopants are Sb, As or P.

andrés alanís


Estructuras atómicas: átomo de Bohr

andrés alanís


andrés alanís


Semiconductores extrínsecos: concentración de impurezasLa densidad atómica del silicio es:de 5x1022 átomos/cm3.

El nivel de dopado está en el intervalo:1x1013 – 1x1018 cm-3.

La concentración de impurezas para obtener materiales semiconductores altamente dopados y degenerados está en el intervalo:1x1019 – 1x1021 cm-3.

andrés alanís


Resistividad del silicio en función del nivel de impurezas

andrés alanís


Resistividad del “GaAs” en función del nivel de impurezas

andrés alanís


Resumen

• Los materiales pueden clasificarse en función de su resistividad eléctrica, y ésta se relaciona con el ancho de banda prohibida, Eg o brecha de energía.

• Existen semiconductores tipo P o N, según el tipo de impurezas, y estos conducen cargas positivas o negativas, respectivamente.

• Eg se define como la diferencia entre la BC y la BV (Eg = Ec - Ev); Eg denota la energía mínima necesaria para excitar un electrón de la BV a la BC.

andrés alanís


Resumen

• La BV y BC se forman por la superposición de los niveles discretos de energía de múltiples átomos.

• Para que un electrón se excite y alcance la BC, éste necesita absorber la energía de un fotón igual o mayor que: Eg.

• La energía del fotón absorbida por el electrón incrementa su energía cinética, esto le da mayor movilidad y le permite llegar a la BC.

andrés alanís


Resumen

• Un electrón en la BC es un “electrón libre” por que se mueve libremente y puede generar corriente eléctrica útil.

• Cuando un electrón abandona la BV deja un hueco, éste se manifiesta como una carga de la misma magnitud que la carga del electrón pero positiva: +q = 1.602 x 10-19 C.

• La resistividad eléctrica de los semiconductores disminuye cuando la concentración de impurezas aumenta.

andrés alanís


Preguntas

1.¿A qué valor de energía de cada banda se refiere la definición de Eg = Ec-Ev?

2.¿Por qué es necesario que los materiales semiconductores sean tan puros (7N)?

3.En el proceso de dopado, ¿dónde quedan los átomos del semiconductor que ha dejado de ser intrínseco?

andrés alanís


Niveles de energía introducidos por las impurezas

Cada elemento introduce niveles discretos de energía entre Ec y Ev, es decir en la brecha de energía prohibida, Eg.

• Si el nivel está cerca de Ec, se denomina nivel donador: Nd

• Si el nivel está cerca de Ev, se denomina nivel aceptor: Na

andrés alanís


Movimiento de electrones y huecos

En presencia de un campo eléctrico:Los electrones se mueven en dirección opuesta de las líneas del campo eléctrico.Los huecos se mueven en dirección de las líneas del campo eléctrico.El movimiento de los huecos es opuesto al de los electrones.

andrés alanís


“Portadores de carga” y “Energía de Fermi”• En un material tipo n, los electrones se conocen portadores mayoritarios

de carga, y los huecos se denominan portadores minoritarios.• En un material tipo p, los huecos se conocen portadores mayoritarios de

carga, y los electrones se denominan portadores minoritarios.

Existe un nivel de energía que permite diferenciar gráficamente un semiconductor tipo n de uno tipo p, éste se conoce como nivel de Fermi, Ef.

• En un material tipo n, Ef está cerca de la BC.• En un material tipo p, Ef está cerca de la BV.

andrés alanís


Niveles de energía: Ec, Ev, Ef

Densidad de estados -de energía- en la BV: Nv

Densidad de estados -de energía- en la BC: Nc

andrés alanís


Niveles de energía: aceptores y donadores

andrés alanís


Densidad o concentración intrínseca de portadores

Ejercicio: Calcular la concentración intrínseca de portadores, ni, a temperatura ambiente (300 K) para el silicio.

andrés alanís


Concentración de electrones y de huecos, n, p

andrés alanís


andrés alanís


Se puede utilizar el valor de la constante de Boltzmannen electrón-volts o bien, utilizar su equivalencia:1 eV = 1.602 x10-19 J.

andrés alanís


Algunas propiedades del silicio monocristalino

andrés alanís


Unión de semiconductores N-P

• Cuando un semiconductor tipo n y uno tipo p se juntan, se forma una unión n-p.

• Los electrones del material tipo n se difunden hacia el material tipo p, y viceversa.

• Los huecos del material tipo p se difunden hacia el material tipo n. En un proceso denominado difusión de portadores (e, h).

• Este proceso continúa hasta alcanzar un equilibrio de cargas; cuando la corriente de electrones y corriente de huecos es igual a cero.

andrés alanís


• Una vez alcanzado dicho equilibrio, en el interior se crea de manera natural una diferencia de potencial, conocido como potencial interconstruído, Vb (Built-in voltage), potencial de contacto, o barrera de potencial.

• En la interfaz no existen cargas negativas ni positivas, esta zona se conoce como:

° zona de agotamiento (Depletion Zone),

° zona libre de carga (Charge Free Region),

° región de carga espacial (Space Charge Region, SCR).

andrés alanís


• Esta diferencia de potencial -eléctrico- crea un fuerte campo eléctrico en la interface de la unión.

• Recordando que en presencia de un campo eléctrico, las cargas se desplazan o arrastran, el campo eléctrico interno genera corrientes de arrastre, tanto de electrones como de huecos.

• Los niveles de Fermi de ambos materiales se alinean.

• El resultado es un doblamiento en las bandas de energía en la interfaz de ambos materiales, el tipo-n y el tipo-p.

andrés alanís


• Ahora, cuando un fotón excita un electrón para que brinque a la BC, el electrón pasa a través de la zona libre de cargas impulsado por el campo eléctrico, en lugar de recombinarse con un hueco como sucedería en un material, sin unión n-p.

• Cuando ambas cargas, positivas y negativas de los electrones y huecos, respectivamente, se separan se genera una diferencia de potencial, o fotovoltaje.

• Este fenómeno se conoce como efecto fotovoltaico.

andrés alanís


Unión N-P a T = 0 K y T = 300 K

andrés alanís


Corrientes de difusión y arrastre (electrones y huecos)

Difusión: debido a gradientes de concentración.

Arrastre: debida a la presencia del campo eléctrico interno.

andrés alanís


Unión semiconductora n-p bajo polarización directa

andrés alanís


Unión semiconductora n-p bajo polarización inversa

La polarización del voltaje aplicado es la misma que el potencial de contacto y el resultado es un ensanchamiento de la zona libre de cargas, y un aumento en la barrera de potencial.

andrés alanís


andrés alanís


Semiconductores N-P antes de unirse

http://www.acsu.buffalo.edu/~wie/applet/pnformation/pnformation.htmlr

andrés alanís

http://www.acsu.buffalo.edu/~wie/applet/pnformation/pnformation.html


Semiconductores N-P después de unirse

El nivel de Fermi se alinea; hay un doblamiento de la BV y BC.

andrés alanís


andrés alanís


Esquema de un celda solar completa• Región N• Región P• Zona de agotamiento• Contacos eléctricos

andrés alanís


Corte transversal de una celda solar real

andrés alanís


...Origen de la banda prohibida en un semiconductor

andrés alanís


Niveles de la BV y BC en función de la distancia(vector de onda, k)

andrés alanís


Sub-clasificación de los semiconductores (banda directa-indirecta)

andrés alanís

física de celdas solares

Education