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Absorción de la luz

Información general

  1. Cuando la energía de un fotón es igual o mayor que la banda prohibida del material, el fotón es absorbido por el material y excita un electrón en la banda de conducción.
  2. Tanto portadores minoritarios como mayoritarios se generan cuando se absorbe un fotón.
  3. La generación de portadores de carga debido a los fotones es la base de la producción de la energía fotovoltaica.

Los fotones incidentes sobre la superficie de un semiconductor se reflejarán en la superficie superior, o será absorbido en el material o, sino ocurren los dos procesos anteriores, se transmitirán a través del material. Para los dispositivos fotovoltaicos, la reflexión y la transmisión típicamente se consideran mecanismos de pérdida en forma de fotones que no se absorben y no generan energía. Si el fotón es absorbido tiene la posibilidad de excitar un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción. Un factor clave en la determinación de si un fotón es absorbido o transmitido es la energía del mismo. Por lo tanto, sólo si el fotón tiene la suficiente energía, el electrón se excitará a la banda de conducción desde la banda de valencia. Los fotones que llegan a un material semiconductor se pueden dividir en tres grupos en función de su energía en comparación con la banda prohibida del semiconductor:

  • Eph < EG fotones con energía, Eph menor que la energía banda prohibida EG interactúan sólo débilmente con el semiconductor, pasando a través de él como si fuera transparente.
  • Eph = EGtiene suficiente energía para crear un par electrón-hueco y son absorbidos eficientemente.
  • Eph > EG Los fotones con energía mucho mayor que la banda prohibida son fuertemente absorbidos. Sin embargo, para aplicaciones fotovoltaicas, la energía del fotón mayor que la banda prohibida se desperdicia cuando los electrones rápidamente vuelven a los bordes de la banda de conducción en un proceso térmico.

El efecto de las tres clases de fotones en el semiconductor se muestra en las dos animaciones de abajo.

La creación de pares electrón-hueco cuando se ilumina con luz Eph = hf, where Eph > EG.

La absorción de fotones crea tanto portadores mayoritarios como minoritarios. En muchas aplicaciones fotovoltaicas, el número de portadores de luz generados son de órdenes de magnitud menor que el número de portadores mayoritarios ya presentes en la célula solar debido al dopaje. En consecuencia, el número de portadores mayoritarios en un semiconductor iluminado no se altera significativamente. Sin embargo, lo contrario ocurre para el número de portadores minoritarios. El número de portadores minoritarios foto-generados supera el número de portadores minoritarios existentes en la célula solar dopada en la oscuridad (debido a que en el dopaje la concentración de portadores minoritarios es muy pequeña), y por tanto el número de portadores minoritarios en una célula solar iluminada puede ser aproximada al número de portadores generados por la luz.