Efecto fotoelectrico

Diferencia entre efecto fotoelectrico y efecto fotovoltaico

En muchas ocasiones podemos encontrar los términos de “efecto fotoeléctrico” y “efecto fotovoltaico” utilizados indistintamente. En este artículo vamos a intentar aclarar la diferencia entre efecto fotoelectrico y efecto fotovoltaico.

El efecto fotoeléctrico

Para entender la diferencia entre efecto fotoelectrico y efecto fotovoltaico en primer lugar debemos comprender el significado del efecto fotoeléctrico. Es el proceso por el cual se liberan electrones de un material debido a la incidencia de la radiación electromagnética.

Diagrama efecto fotoelectricoCuando los fotones llegan al material, su energía puede ser absorbida por los electrones de dicho material. De este modo los electrones adquieren un nivel energético superior. Además si ese nivel es superior al que necesitan para abandonarlo, entonces generan un par electrón-hueco. El hueco se comporta como una carga positiva.

Parte de la energía del fotón se utilizará para liberarlo de la estructura cristalina a la que  pertenece, mientras que el resto servirá para aumentar su velocidad (energía cinética).

Si la energía de los fotones es baja, los electrones no serán capaces de abandonar el material. En dicho caso no se producirá el fenómeno de fotoemisividad.

Efecto fotoelectrico

Entendiendo el efecto fotoeléctrico

La energía de los fotones no depende de la intensidad de la radiación, sino de su longitud de onda. A menor longitud de onda, mayor energía (E=h·c/λ). Es por ello que si a una determinada longitud de onda no conseguimos el efecto fotoeléctrico, incrementando su intensidad tampoco lo conseguiremos. En cambio sí disminuimos su longitud de onda, y por lo tanto aumentamos su energía, si lo podremos conseguir.

Cada semiconductor tiene una energía mínima necesaria para romper un enlace y que aparezca un par electrón-hueco, por lo tanto una longitud de onda máxima. Por ejemplo, para el silicio necesitamos una energía superior a 1,12 eV, que corresponde con una longitud de onda inferior a 1.100 nm.

Efecto fotoeléctrico longitud de ondaLos electrones y los huecos que se generan cuando la radiación incide sobre el material semiconductor. Estos se mueven aleatoriamente pudiendo ocupar cada electrón un hueco libre en lo que se conoce como recombinación del par electrón-hueco. Este movimiento de cargas da lugar a una “corriente eléctrica” en el interior del material denominada conductividad intrínseca, y que carece de efectos externos, es decir, no genera electricidad.

El efecto fotovoltaico

Para conocer la diferencia entre efecto fotoelectrico y efecto fotovoltaico tenemos que entender el efecto fotovoltaico. Este es por definición ” el proceso por el cual se genera una diferencia de potencial entre dos puntos de un material cuando sobre el incide la radiación electromagnética.

Vamos a seguir analizando el efecto fotoeléctrico, y separamos por un lado los electrones (cargas negativas) y por el otro los huecos (cargas positivas). Obtenemos entonces un campo eléctrico y habremos hecho de nuestro semiconductor, un pequeño generador eléctrico. Por lo tanto podemos afirmar que “el efecto fotoeléctrico es una parte del efecto fotovoltaico”. No hay efecto fotovoltaico sin efecto fotoeléctrico, sin embargo si puede haber efecto fotoeléctrico sin efecto fotovoltaico.

Entendiendo el efecto fotovoltaico

Para entender cómo se produce este fenómeno a nivel atómico es necesario aclarar los siguientes puntos.

  • Semiconductor extrínseco tipo N: Se produce al dopar (introducir) en la estructura cristalina de Silicio impurezas. Dichas impurezas serán de un elemento con cinco electrones de valencia en su orbital externo. Pueden ser Fósforo (P), Antimonio (Sb) o Arsénico (As). Como se aprecia en la imagen, el átomo de Sb crea los cuatro enlaces covalentes. Además le sobra un electrón que se sale de su órbita para que quede estable. Con cada átomo de antimonio aparece un electrón libre en la estructura que aumenta su conductividad eléctrica. Son conocidos con el nombre de semiconductores tipo N por ser negativa la carga de los portadores añadidos.
  • Semiconductor extrínseco tipo P: Se produce al dopar (introducir) en la estructura cristalina del Silicio impurezas. Dichas impurezas deben ser de un elemento con tres electrones de valencia en su orbital exterior. Pueden ser Boro (B), Galio (Ga) o Indio (In). Como se aprecia en la imagen, el átomo de Boro solo crea tres enlaces covalentes. De esta forma queda un átomo de Silicio con un electrón sin enlazar. Aparece entonces un hueco que se comporta como una carga positiva voviéndose por el interior de la red cristalina. Son conocidos con el nombre de semiconductores tipo P por ser positiva la cara de los portadores añadidos.Semiconductores, dopaje N y P
  • Unión del semiconductor P con el N: Al unir ambos semiconductores se produce un efecto de difusión de electrones de la zona N (alta concentración de electrones) a la zona P (baja concentración de electrones). Con lo huecos ocurre lo mismo, desplazándose desde donde hay mayor concentración (zona P) a donde hay menor concentración (zona N). En este movimiento de cargas, se produce en la zona de unión una neutralización debido a la combinación de electrones y huecos. La tensión que aparece entre las zonas, llamada barrera de potencial impide que continue el movimiento de cargas, ya que las cargas positivas de la zona N repelen a los huecos que se acercan de P, y las cargas negativas de la zona P repelen a los electrones que se acercan de N.

Generación de corriente mediante el efecto fotovoltaico

Al exponer el conjunto PN por la zona N a la radiación electromagnética, la energía de los fotones se transmite a los electrones rompiéndose los enlaces y quedando estos electrones libres incrementando la carga negativa del la zona N y por lo tanto la diferencia de potencial.

Diagrama efecto fotovoltaico 1

A medida que aumenta la radiación, también lo hará esta diferencia de potencial.

Diagrama efecto fotovoltaico 2

Uniendo directamente sin resistencia (cortocircuito) la zona N y la zona P los electrones circulan desde la zona N a la zona P en lo que se denomina corriente de cortocircuito.

Si lo conectamos en carga, aparece entre los extremos una diferencia de potencial debido a la corriente que circula. De esta forma estamos consumiendo parte de la energía de la radiación electromagnética que incide sobre el material.

Diagrama efecto fotovoltaico 3

Ahora ya tenemos todos los elementos para conocer la diferencia entre efecto fotoelectrico y efecto fotovoltaico.

Conclusión

¿Qué podemos decir de la diferencia entre efecto fotoelectrico y efecto fotovoltaico? Podemos concluir que el efecto fotoelectrico y efecto fotovoltaico no es lo mismo, aunque están intimamente relacionados.

Para que aparezca el efecto fotovoltaico es necesario que el material tenga una estructura molecular determinada (unión PN). Además debe indicir una radiación electromagnética con energía suficiente para romper los enlaces covalentes de la red cristalina.

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