Probablemente habrás visto calculadoras con células solares, esta clase de dispositivos que no necesitan ni pilas ni baterías y en algunos casos, ni siquiera tienen un botón para apagarlas. Siempre y cuando haya suficiente luz, funcionarán para siempre. Es posible que también hayas visto grandes paneles solares situados en las señales de tráfico de emergencia, las cabinas telefónicas, las boyas e incluso en las plazas de aparcamiento para cargar las luces.
A pesar de que estos paneles solares son más grandes que las calculadoras solares no son tan comunes como ellas. Los paneles solares están en el exterior y si sabes dónde buscar, no son tan difíciles de encontrar. De hecho, la energía fotovoltaica, que fue utilizada una vez en 1958 de forma casi exclusiva para la alimentación de los sistemas de satélites eléctricos en el espacio, se está utilizando actualmente cada vez más en formas menos exóticas. La tecnología avanzando con la finalidad de que no dejen de ir apareciendo nuevos dispositivos, desde gafas de sol a estaciones de recarga de vehículos eléctricos.
La esperanza de una "revolución solar" ha estado dando vueltas desde hace décadas, con la idea de que un día todos podamos utilizar la electricidad solar gratuitamente. Esta es una promesa seductora, ya que en un día luminoso y soleado, los rayos del sol emiten aproximadamente 1.000 vatios de energía por metro cuadrado sobre la superficie del planeta. Si pudiéramos reunir toda esa energía, fácilmente se podrían abastecer de forma gratuita tanto nuestros hogares como nuestras oficinas.
En este artículo vamos a examinar las células solares para que puedas aprender cómo convertir la energía solar directamente en electricidad. En el proceso, te mostraremos por qué nos vamos acercando a la utilización de forma diaria de la energía solar y por qué todavía se debe continuar investigando para que el proceso sea más rentable.
Las células fotovoltaicas: Conversión de fotones en electrones
Las células solares que se ven en las calculadoras y en los satélites se llaman células fotovoltaicas (PV), que como su nombre indica (foto significa "luz" y voltaica significa "electricidad") son capaces de convertir directamente la luz solar en electricidad. Un módulo es un grupo de células conectadas eléctricamente que se agrupan en un marco más comúnmente conocido como un panel solar. Una vez hecho esto, se pueden volver a agrupar en grandes paneles solares, como por ejemplo, el gran panel solar que está en funcionamiento en la Base Nellis de las Fuerzas Aéreas de Nevada.
Las células fotovoltaicas están hechas de materiales especiales llamados semiconductores como el silicio, que actualmente se utiliza con mayor frecuencia. Básicamente, cuando la luz incide en la célula, una cierta parte de ella es absorbida por el material semiconductor. Esto significa que la energía absorbida de la luz es transferida al semiconductor. La energía libera a los electrones, lo que les permite fluir libremente.
Las células fotovoltaicas también cuentan con uno o más campos eléctricos que actúan obligando a los electrones liberados por la absorción de la luz a fluir en una dirección determinada. Este flujo de electrones forma una corriente y mediante la colocación de contactos metálicos en la parte superior e inferior de la celda fotovoltaica, podemos extraer esa corriente, utilizándola después, por ejemplo, para alimentar una calculadora. Esta corriente, junto con el voltaje de la célula (que es el resultado de su campo o campos eléctricos), define la potencia (o vatios) que la célula solar puede producir.
Ese es el proceso básico, aunque realmente no hay mucho más que eso. Más adelante, vamos a exponer de forma más detallada un ejemplo de las células fotovoltaicas: la célula de silicio monocristalino.
¿Cómo se convierte una célula de silicio en una célula solar?
El silicio tiene algunas propiedades químicas especiales, sobretodo en su forma cristalina. Un átomo de silicio contiene 14 electrones, dispuestos en tres diferentes depósitos. Los primeros dos depósitos, contienen dos y ocho electrones, respectivamente, quedando completamente llenos. Se llena la mitad del depósito exterior con sólo cuatro electrones. Un átomo de silicio siempre buscará la forma de llenar su último depósito y para ello, necesitará compartir electrones con cuatro átomos cercanos. Es como si cada átomo se uniese a sus vecinos de las manos, excepto que en este caso, cada átomo tiene cuatro manos que se unen a cuatro vecinos. Eso es lo que forma la estructura cristalina y por lo que esta estructura resulta ser tan importante para este tipo de células PV.
El único problema es que el silicio cristalino puro es un mal conductor de la electricidad debido a que ninguno de sus electrones tienen libertad para moverse, a diferencia de los electrones en los conductores más óptimos como el cobre. Para abordar esta cuestión, el silicio utilizado en las células solares tiene impurezas. Por lo tanto, se mezclan de forma deliberada algunos átomos con los átomos de silicio, esto da como resultado un cambio en el funcionamiento del proceso. Solemos pensar en las impurezas como en algo indeseable, pero en este caso, las células no funcionarían sin ellos. Se considera la posibilidad de mezclar el silicio con fósforo, un átomo de fósforo por cada millón de átomos de silicio. El fósforo tiene cinco electrones en su capa externa, no cuatro. Los electrodos de los átomos vecinos se unen entre sí, aunque queda un electrón de fósforo que no puede unirse a ninguno. Este electrón no forma parte de ningún enlace, pero hay un protón positivo en el núcleo del fósforo que no mantienen en su lugar.
Cuando se añade la energía en forma de calor al silicio puro puede causar que algunos electrones se liberen de sus ataduras y dejen sus átomos. Detrás de cada caso queda un hueco. Estos electrones, llamados portadores libres, se pasean al azar alrededor de la red cristalina en busca de otro hueco en el que encajar y transmitirle una corriente eléctrica. En el silicio puro, hay muy pocos de ellos, por lo que no son muy útiles.
El silicio impuro mezclado con átomos de fósforo es una historia diferente. Se necesita mucha menos energía para golpear y liberar a los electrones "extra" de fósforo ya que no están atados a ninguna unión con los átomos vecinos. Como resultado, la mayoría de estos electrones se liberan, dando como resultado un número muy superior de portadores libres del que tendríamos en el silicio puro. El proceso de adición de impurezas se llama dopaje y cuando se dopa la mezcla con fósforo, el silicio resultante recibe el nombre de tipo N ("n" para el negativo) debido a la prevalencia de los electrones libres. El silicio de tipo N dopado es mucho mejor conductor que el silicio puro.
La otra parte de una típica célula solar está dopada con un elemento llamado boro, que tiene sólo tres electrones en su capa externa en lugar de cuatro, para convertirse en silicio de tipo P. En lugar de tener electrones libres, el tipo P ("p" para positivo) tiene aberturas libres y lleva una carga contraria (positiva).
Anatomía de una célula solar
Hasta ahora, nuestras dos piezas separadas de silicio eran eléctricamente neutras, la parte interesante empieza cuando las pones juntas. Esto se hace porque sin un campo eléctrico, la célula no funcionaría. El campo eléctrico se forma cuando el silicio tipo N y el silicio tipo P entran en contacto. De repente, los electrones libres del tipo N ven todas las aberturas del tipo P y se produce una demencial carrera para llenarlos. ¿Todos los electrones libres llenan todos los huecos libres? No. Si lo hicieran, todo este arreglo no sería muy útil. Justo en el cruce, se mezclan formando una barrera, por lo que es cada vez más y más difícil para los electrones del lado N cruzar hacia el lado P. Finalmente, se alcanza el equilibrio y tenemos un campo eléctrico separando los dos lados.
Este campo eléctrico actúa como un diodo, permitiendo (e incluso empujando) a los electrones que fluyan desde el lado P al lado N, pero nunca al revés. Nos lo imaginamos como una colina, los electrones pueden bajar la colina (al lado N), pero nunca la pueden subir (al lado P).
Cuando la luz, en forma de fotones, llega a nuestra célula solar, la energía rompe la unión de los electrones con los huecos. Normalmente, cada fotón con energía suficiente liberará un electrón de forma exacta, dando como resultado un hueco libre. Si esto tiene lugar lo suficientemente cerca del campo eléctrico o si el electrón libre y el agujero libre vagan por su rango de influencia, el campo enviará el electrón al lado N y el hueco al lado P. Esto provoca una mayor perturbación en la neutralidad eléctrica y si se proporciona una trayectoria de corriente externa, los electrones fluirán a través de la ruta de acceso a la zona P para unirse con huecos que el campo eléctrico ha enviado allí, haciendo un camino. El flujo de electrones proporciona la corriente y el campo eléctrico de la célula produce una tensión. Con el producto resultante de la corriente y del voltaje, tenemos el poder.
Existen unos cuantos componentes más antes de que podamos utilizar la célula realmente. El silicio resulta ser un material muy brillante, por lo que es capaz de enviar lejos gracias a un efecto rebote a los fotones antes de que hayan hecho su trabajo. Por este motivo se aplica un recubrimiento antirreflectante para reducir dichas pérdidas. El paso final hacer una instalación para proteger a la célula de los elementos, a menudo se utiliza una placa cubierta de vidrio. Los módulos fotovoltaicos se fabrican generalmente mediante la conexión de varias células individuales para alcanzar niveles útiles de voltaje y corriente, con la finalidad de ponerlos en un marco robusto con terminales positivos y negativos.
¿Cuánta energía solar puede absorber la célula de PV? Por desgracia, probablemente no mucha. Por ejemplo, en 2006, los paneles solares sólo alcanzaron niveles de eficiencia aproximadamente entre el 12 y el 18 por ciento. El sistema más vanguardista de paneles solares ese año consiguió traspasar la barrera de la eficiencia solar forjada en el 40 por ciento. Lograron alcanzar un 40,7 por ciento [Fuente: Departamento de Energía de EE.UU.]. ¿Por qué es un reto sacar el máximo partido de un día soleado?.
La pérdida de energía en una célula solar
La luz visible es sólo una parte del espectro electromagnético. La radiación electromagnética no es monocromática, está compuesta de una gama de longitudes de onda diferentes y por lo tanto, de diferentes niveles de energía.
Se puede separar la luz en diferentes longitudes de onda, haciéndose visible con la forma de un arco iris. Dado que la luz que incide en nuestra célula tiene fotones de una amplia gama de energías, algunos de ellos no tendrán la energía suficiente para alterar una pareja formada por un electrón y un hueco. Simplemente pasarán a través de la célula como si fuera transparente. Por otro lado, otros fotones tendrán demasiada energía. Se requerirá sólo una cierta cantidad de energía, medida en electrovoltios (eV) y definida por nuestro material celular (aproximadamente un 1,1 eV en el silicio cristalino), para golpear un electrón suelto. A esto le llamamos la brecha de energía de un material. Si un fotón posee más energía que la cantidad requerida, la energía extra que se pierde. Es decir, a menos que un mismo fotón tenga dos veces la energía requerida y pueda crear más de una pareja de electrón y hueco, aunque este efecto no es significativo. Estos dos efectos por sí solos pueden explicar la pérdida de aproximadamente el 70 por ciento de la energía de la radiación incidente en nuestra célula.
¿Por qué no podemos elegir un material con una brecha de energía muy baja, ya que se podríamos utilizar más fotones? Por desgracia, nuestra banda eléctrica también determina la intensidad (voltaje) de nuestro campo eléctrico y si es demasiado bajo, se compensa con la corriente adicional (mediante la absorción de más fotones), que perdemos por tener un bajo voltaje. Recuerda que el poder es el voltaje multiplicado por la corriente. La brecha de banda óptima debe mantener el equilibrio entre estos dos efectos y se encuentra aproximadamente en 1,4 eV en una célula de un material único.
También tenemos otras pérdidas. Nuestros electrones tienen que fluir de un lado al otro de la célula a través de un circuito externo. Podemos cubrir la base con un metal, lo que permitirá una buena conducción, pero si cubrimos completamente la parte superior, los fotones no podrán moverse a través de un conductor opaco y perdemos toda la corriente (en algunas células, se utilizan conductores transparentes en el superficie superior, pero no en todas). Si ponemos los contactos sólo a los lados de la célula, los electrones deberán viajar una distancia extremadamente larga para llegar a dichos contactos. Recuerda que el silicio es un semiconductor, por lo que no es tan bueno como un metal para el transporte de la corriente. Su resistencia interna llamada resistencia en serie, es bastante alta y por ese motivo las pérdidas también lo son. Para minimizar estas pérdidas, las células se cubren con una rejilla de contactos metálicos que acorta la distancia que tienen que recorrer los electrones, al tiempo que cubre sólo una pequeña parte de la superficie de la célula. Aún así, algunos fotones quedan bloqueados por esta rejilla, por lo que no puede ser ni demasiado pequeña, ni tener una resistencia demasiado alta.
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