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Primeros dispositivos fotovoltaicos

(Tomado de Green 1 que hace uso de Benjamin2, Shive3 y Wolf4)

Edmond Becquerel parece haber sido el primero en demostrar el efecto fotovoltaico5 6. Trabajando en el laboratorio de su padre a los diecinueve años, generó electricidad mediante la iluminación de un electrodo con diferentes tipos de luz, incluida la luz solar (véase la figura siguiente). Los mejores resultados se obtuvieron con luz azul o ultravioleta y cuando los electrodos se recubrieron con material sensible a la luz tal como AgCl o AgBr. Aunque usó generalmente electrodos de platino, él también observó una cierta respuesta con los electrodos de plata. Posteriormente encontró un uso para el efecto fotovoltaico mediante el desarrollo de un "actinógrafo" que se utilizó para registrar la temperatura de los cuerpos calentados mediante la medición de la intensidad de la luz emitida.

Diagrama del aparato descrito por Becquerel (1839)

El siguiente desarrollo fotovoltaico significativo surgió del interés en el efecto fotoconductor en el selenio. Al investigar de este efecto, Adams y Day (1877)7 señalaron una anomalía que pensaban que podría ser explicada por la generación de voltajes internos. Ellos investigaron esta anomalía más cuidadosamente utilizando muestras como se muestra a continuación. Los contactos de platino calentados se empujaron a extremos opuestos de pequeños cilindros de selenio vítreo. El objetivo de un experimento llevado a cabo por Adams y Day sobre tales especímenes era ver si "sería posible iniciar una corriente en el selenio simplemente por la acción de la luz".

Geometría de muestra utilizada por Adams y Day (1876) para la investigación de los efectos fotoeléctricos en selenio.

¡El resultado fue positivo! Esta fue la primera demostración del efecto fotovoltaico en un sistema entero de estado sólido. Adams y Day atribuyeron las corrientes fotogeneradas a la cristalización inducida por la luz de las capas externas de la barra de selenio. Pasaron varias décadas antes de que el desarrollo de la física permitiera una mayor comprensión de este proceso.

El siguiente gran paso adelante llegó siete años después con el trabajo de Fritts (1883) 8. Al comprimir el selenio fundido entre placas hechas de dos metales diferentes, Fritts fue capaz de preparar películas de Se finas que se adherían a una de las dos placas, pero no a la otra. Presionando una hoja de oro a la superficie de selenio expuesta, preparó de este modo los primeros dispositivos fotovoltaicos de "película delgada". Estos primeros dispositivos de película delgada eran tan grandes como 30 cm2 de área.

Selenio de película fina demostrado por Fritts en 1883.

También fue el primero en reconocer el enorme potencial de los dispositivos fotovoltaicos. Vio que los dispositivos podían ser fabricados a un costo muy bajo y señaló que "la corriente, si no se quiere inmediatamente, puede ser" almacenada "cuando se produce, en acumuladores ... o se transmite ... a una distancia, y allí se utiliza o se almacena'.

Fue, sin embargo, para ser casi cincuenta años antes de que hubo otra importante ráfaga de actividad en esta área.

Mientras se estudiaban los efectos fotoconductores en capas de óxido cuproso cultivadas sobre cobre, se descubrió la acción rectificadora de la unión cobre-óxido cuproso. Esto condujo al desarrollo de rectificadores de gran superficie, seguidos poco después por fotocélulas de gran superficie. Grondahl9 describe el desarrollo de rectificadores de óxido cuproso-cobre y células fotovoltaicas.

La siguiente figura muestra la simple estructura utilizada por las células anteriores basadas en la unión óxido cuproso-cobre. Una bobina de alambre de Pb se utiliza para dar un contacto de la malla a la superficie iluminada de la célula. Este enfoque se perfeccionó posteriormente pulverizando el metal sobre la superficie exterior y retirando una parte de éste para formar una malla de la finura deseada. Estos acontecimientos parecen haber estimulado  una gran actividad en este ámbito. Grondahl 9 documenta 38 publicaciones sobre células fotovoltaicas de cobre y óxido cuproso durante el período 1930-32. 10

Temprana célula fotovoltaica de cobre-óxido cuproso de Grondahl-Geiger (circa 1927).

Esta actividad también parece haber despertado el interés por el selenio como material fotovoltaico. En particular, Bergmann 11 informó de mejores dispositivos de selenio en 1931. Estos demostraron ser superiores a los dispositivos de cobre y se convirtió en el producto comercialmente dominante. En 1939, una célula de sulfuro-tálico de rendimiento similar también fue reportada por Nix 10.  La estructura de este dispositivo y de los dispositivos de selenio y cobre-óxido cuproso más eficaces tomaron la forma que se muestra en la figura siguiente.

Estructura de los dispositivos fotovoltaicos más eficientes desarrollados durante la década de 1930.