Fenómenos de contacto y sus aplicaciones en celdas solares

Yuri Gurevich, G. Miguel Meléndez Lira

• Editorial: Fondo de Cultura Económica
• Año: 2013
• ISBN:
  9786071612960
• Categoría: Tecnología e ingeniería
• Categoría: Ingeniería eléctrica y telecomunicaciones

Esta obra aborda el estudio de las celdas solares considerándolas un dispositivo electrónico. Primero, presenta en forma breve detalles históricos de las celdas solares, el desarrollo de sus aplicaciones y las estrategias utilizadas en diversos países. Después expone los conceptos físicos fundamentales que intervienen en el funcionamiento de los dispositivos eléctricos basados en semiconductores. Por último, trata la transformación de la energía luminosa en energía eléctrica a través de las celdas solares.

III. PORTADORES DE CARGA FUERA DE EQUILIBRIO
Corriente eléctrica a través de los contactos entre medios conductores

III.1. RECTIFICACIÓN DE CORRIENTE EN CONTACTOS METAL-METAL Y METAL-SEMICONDUCTOR

Para estudiar el flujo de corriente eléctrica a través de contactos entre dos medios conductores apliquemos una diferencia de potencial externa u_E [43]. Empecemos por estudiar el contacto entre dos metales; el diagrama de bandas en equilibrio de este contacto está representado en la figura III.1.a. Si el potencial externo se aplica por medio de un potencial positivo en el metal situado a la izquierda y negativo en el metal a la derecha, debido a que la resistencia más importante de esta estructura está colocada en el nivel de vacío, la mayor parte de la caída de potencial se da en esta región de vacío. A esta configuración se le llama polarización inversa a causa de la relación entre las magnitudes de la función trabajo de los metales. La distribución de este potencial externo será lineal (véase la figura III.1.b). Como el potencial eléctrico externo e interno en todas las coordenadas es positivo y decrece en la misma dirección, la caída total de potencial se incrementará. El diagrama de bandas resultante se muestra en la figura III.1.b. En este caso los niveles de potencial electroquímico μ₁ y μ₂, a la izquierda y a la derecha del contacto, no serán los mismos (tenemos un gradiente del potencial electroquímico distinto de cero). Como consecuencia de lo anterior se creará una corriente eléctrica en la dirección del potencial electroquímico menor hacia el potencial electroquímico mayor (véase la ecuación (II.93)).

FIGURA III.1. Diagrama de bandas y distribución del potencial eléctrico para el contacto entre dos metales, la región entre 0 y L corresponde a la capa de vacío: a) Sin polarización, b) polarización inversa y c) polarización directa.

En realidad, en la ausencia de un potencial eléctrico externo el flujo de electrones de izquierda a derecha I₁ y de derecha a izquierda I₂ puede expresarse como (véase el apartado 4 del capítulo II):

Por supuesto

Cuando aplicamos un potencial eléctrico externo, con la polarización antes establecida, el flujo de electrones I₂ no cambia. Como los electrones van del metal situado a la derecha hacia el situado a la izquierda, la barrera de potencial no cambia (figura III.1.b). El flujo de electrones decrece debido a que la barrera de potencial se incrementa en una cantidad eu_E:

El flujo total de electrones no será igual a cero y estará dirigido de derecha a izquierda (I < 0):

La corriente eléctrica en este caso estará dirigida de izquierda a derecha y su densidad es (j > 0):

Cuando u_E se incrementa j puede cambiar desde un valor cero al valor j_S; cuando se alcanza el máximo valor tenemos la condición de saturación. Ahora apliquemos un voltaje externo en dirección opuesta: el metal izquierdo tiene carga negativa y el metal derecho positiva (véase la figura III.1.c). Entonces, el potencial externo e interno se oponen entre sí (polarización directa) y, si |u_E| < φ_C, el diagrama de energía del contacto será el presentado en la figura III.1.c. Justo como en el primer caso el flujo de electrones I₂ no cambia, pero el flujo de electrones I₁ se incrementa debido a que la barrera de potencial disminuye (u_E < 0):

Ésta es la razón por la que el flujo resultante de electrones I = I₁ – 1₂ será representado por la expresión (III.4), pero estará dirigido de izquierda a derecha (I > 0). La corriente eléctrica estará dirigida de derecha a izquierda (j < 0) y el valor de esta corriente está descrita por la expresión (III.5). Cuando u_E < 0 la corriente eléctrica aumenta muy rápido en valores negativos (exponencialmente) cuando |u_E| se incrementa. La característica corriente-voltaje (dependencia de la densidad de corriente ante un voltaje externo aplicado) para esta estructura es descrita por la ecuación (III.5) para cualquier dirección de la corriente y valor del voltaje externo; su comportamiento está representado en la figura III.2. Entonces el contacto entre dos metales tiene propiedades rectificantes.

FIGURA III.2. Característica corriente-voltaje para el caso ideal de dos metales...

Índice

• Portada
• ÍNDICE
• PRÓLOGO
• INTRODUCCIÓN
• I. FUENTES ALTERNAS DE ENERGÍA
• II. ESTRUCTURAS SEMICONDUCTORAS EN EQUILIBRIO TERMODINÁMICO
• III. PORTADORES DE CARGA FUERA DE EQUILIBRIO Corriente eléctrica a través de los contactos entre medios conductores
• IV. EL FENÓMENO FOTOELÉCTRICO
• V. PRINCIPIOS FÍSICOS DE LA TRANSFORMACIÓN FOTOELÉCTRICA DE LA ENERGÍA SOLAR EN ENERGÍA ELÉCTRICA
• BIBLIOGRAFÍA