Tema: Consulta de semiconductores y física cuántica

Buenas a todos. A ver si alguien me puede resolver esta cuestión.
Estamos de acuerdo en que una célula solar genera energía al absorber los fotones que tienen una energía mayor que la energía del gap del material semiconduictor de la célula. Los fotones con energía inferior a la del gap, simplemente atraviesan la célula sin producir ningún efecto.

La energía del gap de los principales semiconductores usados en fv son:
Germanio: 0,66
Silicio: 1,1 eV
Arseniuro de galio: 1,7 eV

Según esto, el arseniuro de galio necesitará fotones con mayor energía para producir corriente eléctrica... y lo que no entiendo entonces es cómo explicar que el AsGa genera más energía que el Silicio y éste a su vez más que el germanio... ya que si fuera por absorción de fotones, el que más absorbe de todos ellos es justamente el que menos energía da: el germanio...

La única explicación que puedo encontrar es en la energía de los fotones recibidos: que al recibir fotones con más energía en el AsGa, (no más fotones en cantidad sino más en calidad) se genera mayor corriente... ¿sería esto correcto?

Gracias.

Como idea (es una suposición, no puedo afirmarla en nada), recuerdo de mis clases de física nuclear que la absorción de fotones dependía del nivel energético de la partícula absorbente. Para no liarme mucho, si tú tenías un material con un nivel energético X, este va a absorber con mayor facilidad los fotones con un nivel energético similar. Es decir, no por mayor energía del fotón se absorbe mejor, sino por similitud energética. Quizás el rango de energía de los fotones más común esté en torno a los valores del Silicio, por lo que éste absorbería más fotones que el resto de materiales, porque habría más fotones con ese nivel energético o similar. Espero haberme explicado más o menos bien...

Un saludo

Perdón, donde dije "en torno a los valores del silicio" quería decir Arseniuro de Galio

Un saludo

Muchas gracias fenix, parece una conclusión más que lógica...

Todo esto ha empezado cuando he intentado buscar el límite de rendimiento que por física cuántica pueden tener los paneles solares de distintos materiales... aunque estoy viendo que esto es muy complicado de estimar: entran en juego factores como la densidad de electrones, los elementos dopantes del semiconductor, etc... que lo hacen muy complejo de estimar.

Que tema mas complejo... puede ser que la eficiencia dependa del tiempo o la probabilidad que tengan en recombinarse los electrones en cada material? creo que para evaluar eso necesitarias hacer analisis de la forma de la estructrura cristalina de las redes y del nivel de dopantes.. aparte de saber mucha fisica..

Hay un libro que se llama Solid State Physics de Ashcroft y Mermin en el que habla de todos estos temas..

Entenderlo, al menos en primera aproximación, no es imposible. Veamos.

Para estudiar el efecto fotoeléctrico se utilizan sobre todo tres modelos:

-El del trabajo de extracción que se propuso en la interpretación de Einstein del fenómeno y que se sigue utilizando para explicarselo a quien no lo conoce (introdujo la utilidad de la cuantización).

-El modelo de enlaces que se ocupa de analizar la rotura de enlaces de electrones de valencia.

-El modelo de bandas que introduce niveles energéticos en el cristal o en la sustancia, en general.

En el modelo de bandas hay dos conceptos relacionados con el problema que nos ocupa:

-La energía del gap.- Energía que necesita un electrón de valencia (confinado en el nivel más energético de los ligados) para saltar a la banda de conducción (estado más o menos libre que permite la conducción eléctrica)

-La efectividad cuántica.-Es una de las magnitudes que mide la cantidad de fotones que realmente arrancan electrones de entre todos aquellos fotones que tienen suficiente energía como para hacerlo.

Por tanto la clave está en entender que no todos los fotones con suficiente energía son absorbidos por un electrón. Y ahí está la diferencia entre el Si y el GaAs por ejemplo. El tipo de transición que se da en el GaAs es directa, es decir, el fotón es absorbido y el electrón salta, mientras que en el Si es indirecta, pues sólo se absorben los fotones que poseen unas frecuencias determinadas y pueden generar fonones en la transición.

Un fonón es la imagen cuántica de un estado de vibración del cristal especial, algo así como un estado resonante, para entendernos.

En definitiva, aunque la energía necesaria para dar el salto es inferior en el Si, sólo algunos fotones anergéticos logran generar fotoelectrones.

Imaginaos que el gap de una sustancia A fuera 3 (en unidades arbitrarias) y que para dicha sustancia todos los fotones con una energía superior a 3 fuesen absorbidos por electrones. Si una sustancia B posee gap 2 pero sólo absorbe los fotones con energías múltiplo de su gap (2, 4, 6, 8 ...) está claro que se generarían más fotoelectrones en la primera, aunque su gap sea superior.

Algo así es.

Animo a que en el foro aparezcan de vez en cuando más temas técnicamente rigurosos.

Saludos

Felicidades y gracias por el comentario arr, da gusto ser parte de este foro.

Ya que veo que entiendes del tema, sabéis algo de la utilización de polímeros en vez del Si, AsGa, etc? es eso lo que se conoce como "thin film" o n otiene nada que ver?

Gracias azazel.

Las tecnologías thin-film atacan otra de las diferencias entre unas sustancias y otras: el espacio que debe recorrer un fotón antes de ser absorbido. Cuanto menor sea esa distancia menos cantidad de materia se necesita. No se trata pues de una sustancia exclusiva.

La tecnología tradicional de Si se basa en láminas gruesas (más de 100 microm) mientras que las tecnologías de láminas delgadas pueden disminuir el grosor en 10 o 20 veces ... a veces pueden llegar a ser tan delgadas que se "engordan" para poder mecanizarlas mejor.

Así veo yo el futuro de la FV: tecnologías delgadas y concentración.

Respecto a los polimeros, la investigación en nuevas sustancias susceptibles de experimentar FV está abierta y asistiremos a la llegada de muchas, no sé si al mercado pero sí a los laboratorios.

Saludos

arr402000 muchísimas gracias por tu respuesta, ha sido muy clarificadora.

Este tipo de intervenciones como la de arr es lo que hacen este foro tan adictivo.
Por mi parte, la verdad es que ya empezaba un poco a estar cansado de tanto tema legal y económico como el de las tarifas, y echaba de menos hablar de temas más profundos técnicamente.
Gracias de nuevo.