Celdas Solares

¿Cómo funcionan las celdas solares?

Roberto Avilés, Licenciado en Física. Encargado del Laboratorio Docente de Física II, Depto. de Física, Fac. de Ciencias Físicas y Matemáticas, Universidad de Chile.

Una celda solar (o fotovoltaica), convierte la luz solar en energía eléctrica. Otras fuentes de luz distintas al Sol pueden ser usadas, pero la luz del Sol es gratis (por ahora).

El consumo total de energía en nuestro planeta, basado en el uso de formas convencionales de energía como el petróleo, carbón, electricidad u otras, representa alrededor de 1% del total de la energía solar que llega a la superficie de nuestro planeta. Esto da una idea del potencial de la energía solar.

El primer reporte sobre el efecto foto voltaico, se debe al científico francés Henry Becquerel el cual, en 1839, observó una fuerza electromotriz (un voltaje) que se originaba al iluminar electrodos de platino u oro inmersos en una solución alcalina o ácida. El primer informe del fenómeno observado en un sólido se debe a W. G. Adams y R.E. Day en 1877, quienes observaron el efecto en una pequeña barra de selenio en cuyos extremos habían fundido electrodos de platino. Por los próximos 30 años la primera aplicación práctica la constituyó el medidor de luz para fotografía y como sensor de luz en instrumentos ópticos.

Fue Albert Einstein quien en 1905 escribió el trabajo científico con la teoría que explicaba este fenómeno, trabajo por el cual recibió el Premio Nobel de Física en 1921. Es este un fenómeno cuántico y evidencia el que la energía contenida en la luz, se entrega en paquetes de energía o cuantos.

Este fenómeno y su teoría, constituyen un pilar de la Mecánica Cuántica, que estudia los fenómenos a escala atómica (tales como la interacción entre la materia y la luz), pues evidencia, de manera dramática, la dualidad onda partícula de la luz. Hasta entonces, había teorías que consideraban la luz como un fenómeno ondulatorio y otras que la consideraban un fenómeno corpuscular. pero este fenómeno muestra la naturaleza dual de la luz: a veces onda, a veces partícula.

La radiación incidente sobre la superficie foto sensible puede ser electromagnética (luz infraroja, visible, ultra violeta, rayos x o gamma), o radiación de partículas cargadas (electrones, protones, partículas alfa o beta).

La luz incidente sobre la superficie de ciertos materiales (el más usado es el silicio), da lugar a una corriente de electrones (a veces denominados foto electrones en consideración a su origen).

El flujo de electrones es una corriente continua unipolar (que no cambia de sentido), pero cuya intensidad es proporcional a la frecuencia (el color) de la luz incidente y es función de la energía de ligazón de un electrón a su red atómica, siendo este último un parámetro característico del material.

Una celda solar comercial es un "sandwich" de silicio dopado (mezclado) con fósforo (lado negativo) y boro (lado eléctricamente positivo).

Cuando una celda es expuesta a la luz (se expone el lado negativo), si los fotones que llegan a la superficie tienen una energía mayor que la necesaria para liberar a un electrón desde la red de la cual forman parte, surge una corriente de foto electrones. Debe ocurrir que la energía de los fotones es mayor que la energía de ligazón de los electrones al material, que exista una juntura semi conductora que impida la recombinación de portadores positivos y negativos y que la vida media de los portadores permita sostener un flujo de corriente a través de una carga útil.

El silicio es el componente principal de la sílice (combinación de silicio y oxígeno que abunda en la naturaleza, formando el cuarzo, el cristal de roca, etcétera) de las arenas de las playas. Luego de depurar el silicio, se fabrican bloques de silicio mono cristalino (depende de las técnicas de fabricación), de los cuales se obtienen obleas las cuales son dopadas con boro y luego con fósforo. Provistas de contactos eléctricos adecuados se conectan con otras celdas, dando lugar a los grandes paneles o módulos solares de uso comercial e industrial (las etapas del proceso se ilustran en las últimas páginas).

Dependiendo de las técnicas y calidad de fabricación (reflejado en los costos), una celda solar con un área de unos 12x12 centímetros, puede entregar unos 0.5 voltios y hasta 1 amperios de corriente eléctrica (una ampolleta de 100 watts, funciona con 220 voltios y casi 0.5 amperios de corriente). Los paneles son recubiertos con vidrios especiales que pueden resistir el impacto del granizo, y son enmarcados en una estructura de aluminio, todo lo cual proporciona un soporte mecánico que facilite su manejo e instalación.

Para asegurar un buen funcionamiento, se debe mantener limpia la superficie del panel, para que el máximo de luz solar sea aprovechado en el proceso. El rendimiento de celdas solares de más reciente desarrollo, supera el 30%, comparado con el 15% de muchos generadores eléctricos. Es la relación costo/beneficio lo que mantiene el uso de paneles solares como una solución que es considerada sólo cuando resulta más barata que el uso de otras formas de energía. Sin embargo, aquellos lugares en los cuales no hay acceso al uso de otras energías, el uso de energía solar es una excelente alternativa.

En Chile la empresa Siemens a través de su división de Energía Solar, ha implementado proyectos que permiten el uso de artefactos eléctricos domésticos en hogares alejados de las redes de distribución eléctrica normal. También es posible usar la energía solar y complementar una red de energía eléctrica convencional. A pesar de que la corriente que proporciona una celda solar es corriente continua (como la de las pilas), es posible hacer la conversión a corriente alterna, así como también es posible almacenar en bancos de baterías la cosecha de electricidad solar, de modo de aprovecharla por la noche.

Las celdas solares han sido usadas con éxito desde el inicio de la era espacial, como fuentes de energía para satélites y naves espaciales. También existen robots que funcionan con energía solar, y muestran un comportamiento fototrópico: buscan la luz y huyen de las sombras.

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