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.

Gracias wels.

Está claro a estas alturas que el foro tiene numerosos miembros -antiguos y nuevos- que pueden garantizar que la calidad y la profundidad de los temas tratados sean importantes. Sin embargo observamos que lo que más abunda son temas repetitivos en los que suele haber más opinión que otra cosa, más anécdota que contenido.

En ocasiones sencillamente porque algunos de los nuevos foreros no dedican un tiempo suficiente a buscar lo ya escrito y en otras porque como sucede en los foros "reales", tratar los temas con profundidad y argumentos, es más trabajoso.

En nuestra mano está que el foro no se pierda ... o se transforme en otra cosa, que viene a ser lo mismo.

Saludos

Visto asi parece que el fonon es una particula inventada para que se mantenga la conservación de la energía, lo cual parece un truco para adaptar la teoria a lo que se conoce y se acepta.

Otra duda: Si sometieramos al Si a una radiación en el espectro del infrarrojo este se calentaria? y si se calienta como lo explica el modelo de bandas?

Los fonones son una creación natural de la teoría cuántica, como lo es, por ejemplo, el fotón.

La absorción de un material ante una determinada frecuencia EM depende de diversos factores, estando los más importantes en el ámbito de la física de superficies y dependiendo no tanto de la estructura atómica sino más bien de las características de la superficie (tamaño de las irregularidades, tratamiento, etc.)

Si quieres profundizar en la interacción entre la radiación y la materia, tú mismo has recomendado un libro en el que poder hacerlo, que contiene varios temas sobre la cuestión.

Saludos

Para que se porduzca el salto, segun el modelo de bandas, hace falta una radiación con una determinada longitud de onda, que llevara asociada una energía, si el IR no llega a esta longitud de onda, no habra conduccion electrica

En ese libro no lo explica, lo menciona en el capitulo 21 y dice que para explicarlo se debe utilizar un modelo de red dinamica...

Puede ser que la energía del infrarrojo no excite a un electron pero cree vibraciones en la red ionica que harian que aumentará la tempertura? dicho de otro modo: no sera que el gap solo sirva para la conductividad electrica de material; pero su manera de calentarse no tengan nada que ver?

En una época en la que los modelos moleculares concebían los metales como sustancias en cuyas superficies existían mares de electrones libres, hubo que recurrir al concepto de cuantización para justificar que sólo algunos electrones fueran extraidos de la red. Es decir, podía suceder que un electrón ganase energía pero no sufiente para escapar.

Al ganar energía los electrones de la red, aumentarían sus energías cinéticas y con ellas sus temperaturas. El modelo de bandas es una descripción microscópica que describe con acierto muchas propiedades microscópicas ... pero que no es preciso para entender el fenómeno de la absorción de radiación, por ejemplo.

Es decir, la teoría cuántica hace una descripción microscópica que permite obtener coeficientes macroscópicos con una precisión sin precedentes, pero no hay que recurrir a ella para explicar que un electrón absorbe un fotón IR y aumenta la temperatruar de la sustancia.

Que aparecieran en escena objetos mecanocuánticos como los fonones estaba justificado porque el modelo Gap flaqueaba -en la línea que welsungo apuntaba- y eso es una peculiaridad de determinadas estructuras, pero para entender cualitativamente el calentamiento de un cuerpo basta con la física cuántica primitiva.

Saludos

Q alegría leer hilos como estos, así da gusto.
Enhorabuena a los participantes,

s2

Buenas Arrr,

Me gustaria mucho saber que opinion te merece la tecnologia de Michael Gratzel, las celulas que intentan emular la fotosintesis usando un electrolito, normalmente dioxido de Titanio como semiconductor y pigmentos pegados al mismo.

Estoy intentando recordar la razon de la existencia de la banda desocupada en los semiconductores y no logro hacerlo.. con lo que supongo que nunca lo entendi de verdad. Sabes cual es el origen de esta banda?

Saludos!
perroblanco