I UNIDAD: Fundamentos del Efecto Fotoeléctrico

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Docente:

Mauricio Gatica Ruiz Mauricio.gatica.ruiz@gmail.com

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I UNIDAD: Fundamentos del Efecto Fotoeléctrico

Un material es Conductor cuando los electrones de su última capa orbital están débilmente ligados al núcleo.

Esto ocurre en forma natural con los metales pesados.

Podemos imaginarnos el sólido conductor como átomos en posiciones estables rodeados de electrones con una gran movilidad.

Conductores, Semi-Conductores, Aislantes

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Conductores, Semi-Conductores, Aislantes

Un material es Aislante cuando los electrones de su última capa orbital están fuertemente ligados al núcleo.

Al aplicar una diferencia de potencial, los electrones no pasan a la banda de conducción.

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Conductores, Semi-Conductores, Aislantes

Al hacerlo, dejan “hueco” en la estructura. Si otro electrón pasa cerca del hueco, es posible que caiga en él, recombinándose.

En un Semi-Conductor la situación es intermedia.

Los electrones externos no están excesivamente ligados al núcleo, pero no es excesivamente fuerte.

Con suficiente diferencia de potencial o con excitación térmica los electrones pueden pasar a la banda de conducción.

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Conductores, Semi-Conductores, Aislantes

El fenómeno de ocupar nuevamente un “hueco” por un electrón se llama “Recombinación”.

La distancia media que puede recorrer un electrón antes de recombinarse se llama recorrido libre.

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Conductores, Semi-Conductores, Aislantes

Si al silicio puro lo “dopo” con otro material, puedo cambiar sus propiedades eléctricas. Por ejemplo, si reemplazo átomos de silicio por Boro, van a sobrar “huecos”.

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Conductores, Semi-Conductores, Aislantes

En cambio si lo “dopo” con fósforo o arsénico, quedan electrones prácticamente libres. Genero así un material tipo N.

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Diodo

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Funcionamiento de un Diodo

Esto se debe a que en la juntura N-P los electrones del lado “N” migran y ocupan los huecos inmediatos al lado “P”.

Se crea así una barrera de potencial.

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Funcionamiento de un Diodo

Si quiero hacer fluir la electricidad en sentido inverso, entonces los electrones se “apilan” en la barrera de potencial y no pueden pasar

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Cuando un fotón choca contra un electrón en la superficie de un metal, el fotón le puede transmitir energía al electrón, con la cual este podría “escapar” de la superficie del metal.

Por este trabajo gano el premio Nobel de física en el año 1921. En 1905 Einstein publicó

“Un punto de vista heurístico sobre la producción y transformación de luz” Trabajo en el que indica que un haz de luz se compone de paquetes de energía llamados cuantos de luz o fotones.

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El efecto fotoeléctrico consiste en la formación y liberación de partículas eléctricamente cargadas que se producen en la materia cuando es irradiada con luz u otra radiación electromagnética.

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La emisión de electrones por metales iluminados con luz de determinada frecuencia fue observada a finales del siglo XIX por Hertz y Hallwachs.

Para cada sustancia hay una frecuencia mínima o umbral de la radiación electromagnética por debajo de la cual no se producen fotoelectrones por más intensa que sea la radiación.

La emisión electrónica aumenta cuando se incrementa la

intensidad de la radiación que incide sobre la superficie del metal, ya que hay más energía disponible para liberar electrones.

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En los metales hay electrones que se mueven más o menos libremente a través de la red cristalina, estos electrones no escapan del metal a temperaturas normales por que no tienen energía suficiente. Calentando el metal es una manera de aumentar su energía.

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Sea f la energía mínima necesaria para que un electrón escape del metal. Si el electrón absorbe una energía E, la diferencia E-f, será la energía cinética del electrón emitido. Ek = E- f

Einstein explicó las características del efecto fotoeléctrico, suponiendo que cada electrón absorbía un cuanto de radiación o fotón.

La energía de un fotón se obtiene multiplicando la constante h de Planck por la frecuencia f de la radiación electromagnética. E=hf

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Por otra parte, cuando la placa de área S se ilumina con cierta intensidad I, absorbe una energía en la unidad de tiempo proporcional a IS, basta dividir dicha energía entre la cantidad hf para obtener el número de fotones que inciden sobre la placa en la unidad de tiempo.

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La palabra Foto-voltaico es una palabra compuesta que significa:

Foto: fώς (phos en griego) que significa “Luz”

Voltaico: Voltaje, en honor a Alessandro Volta, Físico italiano, famoso principalmente por haber desarrollado la pila eléctrica en 1800.

En resumen significa, electricidad producida a través de la luz.

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Consiste básicamente en convertir la luz solar en energía eléctrica por medio de dispositivos semiconductores denominados células fotovoltaicas.

Las células fotovoltaicas están elaboradas a base de silicio puro (uno de los elementos más abundantes, componente principal de la arena) con adición de impurezas con ciertos elementos químicos (boro y fósforo), y son capaces de generar cada una corriente de 2 a 4 Amperios, a una tensión de 0,46 a 0,48 Voltios, utilizando como fuente de energía la radiación solar.

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Cuando la luz solar incide en la célula se liberan electrones que pueden ser atrapados por el campo eléctrico, formando una

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Este es un fenómeno cuántico, los fotones que constituyen la luz son los que generan la fotocorriente.

Un fotón puede liberar directamente un electrón o bien un fotón más un fonón (agitación térmica) pueden hacer saltar un electrón a la banda de conducción (generación indirecta).

Es claro que el fenómeno implica que los fotones deben tener energía mínima para generar movimiento de electrones. Por lo tanto no se

aprovecha todo el espectro solar.

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Por lo tanto el rendimiento será función del espectro de luz y del

“gap” o salto que es propio del diodo. A medida que el “gap” crece, se requieren fotones de más energía, es decir de longitudes de onda más cortas.

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Si la celda se ilumina con luz monocromática, el rendimiento de conversión podría ser 100%.

Pero al usar luz solar, el rendimiento es inferior.

Rendimiento Fotocelda

La figura de la siguiente diapositiva representa el rendimiento máximo teórico en función del Gap de voltaje de la juntura (expresada en electrón volts).

También aparecen varios semiconductores que se utilizan para fabricar celdas solares.

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Puntos Claves en una Fotocelda

En la figura se observa la curva I-V característica de una fotocelda. Voc es el voltaje en circuito abierto. Isc es la corriente en cortocircuito.

En una fotocelda el voltaje es poco sensible a la intensidad de la radiación solar, pero la corriente es muy sensible a esta.

Existe un punto donde el producto IxV se maximiza, este es el punto de máxima

potencia (para una intensidad de radiación dada).

En ese punto tenemos la intensidad de corriente Im y el voltaje Vm.

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Producción de una Fotocelda

La corriente que produce la fotocelda aumenta con la intensidad de radiación solar.

En efecto, pues más radiación implica más fotones.

El ideal sería que el lugar geométrico que une los puntos de máxima potencia fuera una recta vertical.

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