Energía Solar: Células Solares de Silicio Understand article

Traducido por Enrique García-García. A medida que las reservas de petróleo se agotan las células solares se presentan como una fuente de energía alternativa. ¿Cómo funcionan? y, ¿cómo podemos aprovechar todo su potencial?

Aunque sea de forma indirecta, el Sol es el origen de la mayoría de las fuentes de energía que utilizamos en la Tierra. No sólo los derivados del petróleo o la biomasa, si no también el viento, por mencionar algunas. El uso de células solares permite capturar la energía solar de forma directa.

El Sol es una estrella de tamaño medio, relativamente antigua, compuesta de plasma caliente. Éste radia energía electromagnética sobre un gran rango espectral. Situado a una distancia de 150 millones de kilómetros, nuestro planeta recibe una irradiancia de 1366 W/m² (1 W= 1 J·s) del Sol, pero no toda alcanza la superficie terrestre puesto que la atmósfera absorbe y refleja un 30% de esta densidad de potencia. Aún así, cada metro cuadrado de la superficie terrestre recibe una media del orden de 1000 J/s del Sol.

Con el fin de entender este resultado de una forma completa, merece la pena destacar que el consumo total de energía en el 2010 fue de 5 x 10²⁰ J. La Tierra recibe 1.8 x 10¹⁷ J/s, de los cuales 1.3 x 10¹⁷ J/s llegan a la superficie, si asumimos que nuestro planeta es una esfera perfecta de 6370 km. Por lo tanto, en tan sólo una hora recibimos la misma cantidad de energía que consumimos a lo largo de un año.

Por desgracia esto no es tan sencillo. Debido a factores meteorológicos, la declinación solar y la rotación terrestre, la irradiancia media por metro cuadrado es de o 230 W/m². Si repetimos el cálculo anterior con estos datos, el tiempo necesario para abastecer el consumo energético anual aumenta hasta las cinco horas y media – todavía es muy poco tiempo.

De este simple razonamiento se concluye que la energía solar es una reserva prometedora, pero ¿cómo podemos recolectarla y utilizarla?

¿Qué sucede en el interior de una célula fotovoltaica?

El fenómeno fotovoltaico es la base del funcionamiento de las células solares contemporáneas. Éste fue descubierto por el físico francés Edmond Becquerel en 1839, cuando observó que la conductividad de algunos materiales aumentaba cuando éste era expuesto a la luz solar. La explicación del fenómeno tuvo que esperar hasta el siguiente siglo con el desarrollo de la mecánica cuántica. La radiación electromagnética se puede explicar como un chorro de objetos cuánticos llamados fotones. Cuando los fotones son absorbidos en el material pueden provocar la promoción de electrones a un estado de mayor energía (banda de conducción), potencialmente realzando la conductividad del material.

Semiconductores como el silicio son materiales fotovoltaicos porque la energía asociada a los fotones del visible es del mismo orden que la necesaria para promover un electrón a la banda de conducción. Sin embargo, los semiconductores tienen pocos electrones libres y, por lo tanto, baja conductividad. Para incrementarla se añade pequeñas porciones de otros materiales, impurezas, en un proceso llamado dopado.

El silicio dopado es el material más utilizado en electrónica. El silicio puro cuenta con cuatro electrones de valencia que comparte con los átomos vecinos. Al añadir impurezas con más o menos electrones de valencia (como el fósforo o el boro), se modifican las propiedades conductoras del anfitrión. El fósforo tiene cinco electrones de valencia, de modo que cuando un átomo está rodeado por átomos de silicio, el quinto electrón permanece débilmente ligado. Esto indica que podrá alcanzar la banda de conducción más fácilmente, aumentando la conductividad del silicio. A el silicio dopado con fósforo se le llama tipo-n (tipo negativo) puesto que el dopaje aumenta el numero de cargas negativas (electrones) libres. Por el contrario, el boro sólo tiene tres electrones de valencia. La falta de un electrón en la red del silicio crea un “hueco”. Como los electrones serán capaces de moverse de un hueco a otro, la conductividad del material se ve incrementada. Al dopaje con boro se le llama tipo-p (tipo positivo).

Este fenómeno se usa en las células solares para recolectar la energía procedente del Sol y transformarla en energía eléctrica. La célula solar elemental está formada por la unión de dos semiconductores con dopajes complementarios, formando la llamada unión p-n. En una región en torno a la unión los electrones del dopaje tipo-n perciben los huecos del lado dopado tipo-p y viajan para llenarlos – formando el llamado par electrón-hueco. Cuando un fotón golpea uno de esos pares capaz de separar los componentes del par liberando ambas cargas y generando una corriente eléctrica, cuando hay una carga externa conectada.

No todos los portadores generados por este proceso contribuyen a la corriente. Una gran porción se recombina generando calor. Esto reduce la eficiencia de conversión de la célula solar (definida como el porcentaje de la energía solar recibida que se convierte en energía eléctrica). Éste parámetro es uno de los más importantes en cuanto a calidad de la célula solar. Células solares de silicio actualmente comerciales tienen una eficiencia del orden del 20%, por lo que todavía se pueden hacer extensos esfuerzos de cara e mejorar este valor.

Energía fotovoltaica en la práctica

Ahora tenemos una idea de qué sucede en el interior de una célula solar, pero ¿hasta qué punto son prácticas para capturar la energía del Sol?. Un módulo de células solares tiene una superficie aproximada de 1.3 m² y consiste en una matriz de unas 50 células individuales. Un módulo es capaz de entregar unos 200 W (dependiendo de la tecnología) así que un montaje con cinco módulos entregaría una potencia suficiente para cubrir las necesidades medias de una casa (cerca de 1 kW). Sobre el papel la demanda energética europea sería satisfecha con tan sólo cubrir el 1 % de la superficie con células solares. Sin embargo, las células solares sólo se podrán utilizar para cubrir parte de nuestra demanda energética.

En el 2010 cerca del 1 % de energía producida en Europa tuvo origen fotovoltaico. Las estimaciones optimistas afirman que Europa podría generar del 30 al 50 % de energía de este modo. No se pueden realizar estimaciones más precisas, puesto que es una tecnología en continuo desarrollo.

Una de las limitaciones de la energía solar es que la cantidad de energía producida es fuertemente dependiente de las condiciones ambientales, como el tiempo, el ángulo que forma el sol con la superficie normal del dispositivo, la suciedad depositada sobre la superficie y, por supuesto, la noche. Las llamadas redes inteligentes son un modelo de instalación en el cual otras fuentes de energía -térmica, plantas nucleares…- se suman a la solar para abastecer la demanda que no puedan generar las células solares en tiempo real. En este marco de explotación energética las células solares están jugando un papel fundamental.

La mayor aplicabilidad de las células solares es en pequeñas instalaciones, donde la energía es producida in-situ -en casas particulares, en teléfonos de carretera, plantas industriales, barcos, coches e incluso en la Estación Espacial Internacional^w1.

De modo que aunque estamos muy lejos de abastecer la demanda energética global en cinco horas solares, la energía solar se afianza como una fuente de energía segura. La próxima vez que enciendas la caldera o el televisor, piensa que el sol ha ayudad para alimentarlo.

Células solares Orgánicas

Los paneles fotovoltaicos basados en semiconductores – como los descritos en este artículo- son relativamente caros de producir y procesar. Las células solares producidas con materiales orgánicos se presentan como una alternativa. Éstas permiten la deposición de paneles de grandes extensiones sobre substratos flexibles como si se tratase de una impresora de inyección. Sin embargo, a día de hoy no son competitivas con las células convencionales por cuestiones de eficiencia.

La mayoría de los dispositivos fotovoltaicos orgánicos están basados en láminas delgadas de un componente aceptor de electrones (como derivados del fullereno, actuando como un semiconductor tipo-p) y un donante de electrones (usualmente un polímero, jugando el papel de un semiconductor tipo-n), situados entre dos electrodos. Uno requisito básico para unir ambos elementos es que formen una red continua de caminos de donores y aceptores para que los portadores (electrones o huecos) alcancen el electrodo. La espectroscopia en rayos-X, como la realizada en las Instalaciones Europeas de Radiación Sincrotrónica (ESRF) permiten analizar la red atómica de forma precisa con el fin de mejorar el diseño/producción.

Para aprender más, visita la página web del ESRF^w2.

ESRF es un miembro del foro EIROforum^w3, los publicadores de Science in School.

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