La ENERGIA SOLAR es el calor y la luz que irradia el sol, controla el clima de la Tierra y permite la existencia de seres vivos en nuestro planeta.
La energía solar se refiere específicamente a la conversión de la luz solar en electricidad a través de celdas o células fotovoltaicas.
Cada día el sol irradia enormes cantidades de energía, irradia más energía en un segundo que lo que toda la humanidad ha utilizado desde el principio de los tiempos.
La energía que constantemente se irradia desde el sol viene de el sol mismo. Tal como otras estrellas, el sol es una gran masa de gases, en su mayoría hidrógeno y helio. Los átomos de hidrógeno en el núcleo del sol se combinan para formar helio y generan energía a través de un proceso llamado fusión nuclear.
Durante la fusión nuclear, la alta presión y temperatura del sol causan que los átomos de hidrógeno se separen, y que sus núcleos se combinen. Cuatro núcleos de hidrógeno se combinan para formar un átomo de helio. El átomo de helio contiene menos masa que los cuatro átomos de hidrógeno que se fusionaron, es por ello que cierta cantidad de masa se pierde durante la fusión nuclear. Esta materia perdida se emite hacia el espacio en forma de energía radiante.
Toma millones de años para que la energía en el núcleo del sol llegue a la superficie solar, y tan solo 8 minutos en recorrer 149 millones de kilómetros hasta la tierra. La energía solar viaja hacia la tierra a una velocidad de 186,000 millas por segundo, la velocidad de la luz(300.000 Km/s)
Sólo una muy pequeña cantidad de la energía que se irradia de desde el sol hasta el espacio llega a la tierra, dos mil millonésimas partes. Aun así esta cantidad de energía es suficiente, la energía solar que llega a la tierra en un sólo día sería suficiente para abastecer a nuestro planeta por un año y medio, esto si la aprovecháramos eficientemente.
Alrededor del 15 % de la energía del sol que llega a la tierra se refleja de regreso al espacio. Un 30% se utiliza para evaporar agua, que al elevarse a la atmósfera produce lluvia. La energía solar también la absorben las plantas y los océanos.
El resto de la energía solar es la que tenemos disponible para cubrir nuestras necesidades energéticas (luz, electricidad, calor, etc).
Los seres humanos han aprovechado la energía solar por siglos. Desde el siglo VII a.C., las personas utilizaban lupas magnificadoras para concentrar la luz del sol en rayos tan calientes que podían encender llamas en la madera.
A principios del siglo pasado, gran cantidad de científicos e ingenieros comenzaron a investigar diferentes maneras para aprovechar la energía solar. Un desarrollo importante fue un calentador solar para agua inventado por Charles Greeley Abbott, un astrofísico norteamericano, en 1936.
El calentamiento de agua con energía solar tuvo popularidad en las regiones del sureste de Estados Unidos desde los años veintes. Fue hasta después de la Segunda Guerra Mundial que se empezó a crecer la investigación en el campo de la energía solar. Este crecimiento duró hasta mediados de los años cincuenta, cuando el bajo costo del gas natural lo convirtió en el principal combustible para calentar hogares.
La población y los gobiernos permanecieron indiferentes a las posibilidades de la energía solar, hasta la escasez de petróleo de los años setenta. En nuestros días las personas utilizan la energía solar para calentar edificios y agua, y para generar electricidad.
Si se utiliza la energía solar, no se genera contaminación de aire o agua, y es una enorme y gratis fuente de energía.
¿Qué es una Célula Fotovoltaica?
Esta consiste en transformar directamente la energía lumínica del Sol en energía eléctrica por medio de las Celdas fotovoltaicas.
La célula fotovoltaica, elemento encargado de transformar la energía solar en eléctrica, se basa en un fenómeno físico denominado efecto fotovoltaico, que consiste en la producción de una fuerza electromotriz por acción de un flujo luminoso que incide sobre la superficie de dicha célula.
La célula fotovoltaica más común consiste en una delgada lámina de un material semiconductor compuesto principalmente por silicio de cierto grado de pureza, que al ser expuesto a la luz solar absorbe fotones de luz con suficiente energía como para originar el "salto de electrones", desplazándolos de su posición original hacia la superficie iluminada. Al desprenderse estos electrones con su carga negativa (n) originan la aparición de huecos o lagunas con cargas positivas (p).
La célula fotovoltaica más común consiste en una delgada lámina de un material semiconductor compuesto principalmente por silicio de cierto grado de pureza, que al ser expuesto a la luz solar absorbe fotones de luz con suficiente energía como para originar el "salto de electrones", desplazándolos de su posición original hacia la superficie iluminada. Al desprenderse estos electrones con su carga negativa (n) originan la aparición de huecos o lagunas con cargas positivas (p).
Como los electrones tienden a concentrarse del lado de la placa donde incide la luz solar, se genera un campo eléctrico con dos zonas bien diferenciadas: la negativa, de la cara iluminada donde están los electrones y la positiva en la cara opuesta donde están los huecos o lagunas.
Si ambas zonas se conectan eléctricamente mediante conductores adheridos a cada una de las caras de la placa el desequilibrio eléctrico origina una fuerza electromotriz o diferencia de potencial, creando una corriente eléctrica para igualar las cargas. Dicha corriente, obviamente contínua, se genera en un proceso constante mientras actúe la luz solar sobre la cara sensible de la lámina.
Si ambas zonas se conectan eléctricamente mediante conductores adheridos a cada una de las caras de la placa el desequilibrio eléctrico origina una fuerza electromotriz o diferencia de potencial, creando una corriente eléctrica para igualar las cargas. Dicha corriente, obviamente contínua, se genera en un proceso constante mientras actúe la luz solar sobre la cara sensible de la lámina.
Aproximadamente proveen 0,5 volt cada una de las fotocélulas , las cuales pueden conectarse en serie o en paralelo.
Si se conectan en serie incrementan el voltaje ya que se suma el voltaje individual de cada una de las fotocélulas solares.
Si se conectan en paralelo el voltaje se mantendrá constante al de una célula pero incrementará el amperaje.
- Silicio monocristalino: en el que sus enlaces todos tienen una dirección determinada. Es más eficiente (hasta un 16 % y en algunos tipos comerciales hasta el 19 % ), más duradero y más costoso. A simple vista es de un color azul oscuro homogéneo.
- Silicio policristalino: sus enlaces tienen varias direcciones. Menos eficiente (de un 3-4 % menos que el anterior), menos duradero y menos costoso. Es de un color azul eléctrico heterogéneo
- Silicio amorfo: no tiene estructura cristalina, se deposita sobre vidrio y permite espesores muy delgados, hasta el punto de ser estudiada la posibilidad de dejar pasar la luz. Es muy económico, al utilizar poco silicio, pero se degrada más fácilmente que los anteriores disminuyendo su potencia. Es de un color marrón o gránate. Su rendimiento se sitúa sobre el 10 % en las células comerciales.
Conductores y aislantes
Dado que el fenómeno fotovoltaico toma lugar dentro de un semiconductor, se hace necesario entender que hace que un material sea un buen conductor, un buen aislante (no-conductor) y, por último, un semiconductor.
La corriente eléctrica es la cantidad de cargas que circulan por unidad de tiempo. Cuando se aplica un voltaje entre los extremos de un material, se crea un campo eléctrico dentro del mismo. Los electrones ubicados en la órbita exterior del átomo de este material, la más lejana del núcleo, estarán sometidos a una fuerza cuyo valor está dado por la expresión:
F = q x E
Donde "q" es el valor de la carga (en Coulombs) y "E" es el valor del campo eléctrico en "V/m". La conducción o no-conducción eléctrica de un material está determinada por su estructura atómica.
En materiales conductores, como el cobre, el aluminio o el grafito, los electrones de la banda externa tienen mucha movilidad, ya que están saltando de átomo a átomo, aún a la temperatura ambiente.
Bajo la acción de un campo eléctrico (voltaje entre los extremos) la fuerza dada por la expresión “F = q x E” los pone en movimiento. El valor de la conductividad (inversa de la resistividad) es elevado en estos materiales.
En materiales aislantes, como el vidrio, el diamante o la porcelana, aún con elevados valores del campo eléctrico (altos voltajes) la fuerza que se ejerce sobre los electrones de la órbita externa no es suficiente para desplazarlos y establecer una corriente, ya que su movilidad es prácticamente nula.
Observe el lector que en los ejemplos he usado, a propósito, dos formas cristalinas distintas para el carbón: el grafito (conductor) y el diamante (aislante) para mostrar cómo la estructura interna de la sustancia determina la movilidad de las cargas en la misma.
Cuando el átomo de una sustancia pierde un electrón, se transforma en una carga positiva. La pérdida de un electrón crea, en efecto, dos cargas dentro del material: una negativa (electrón libre) y otra positiva (resto del átomo).
Estructuras cristalinas
En substancias como el germanio (Ge) y el silicio (Si) los electrones de la capa exterior de un átomo son compartidos por átomos adyacentes (Figura 1) formando una estructura fija rígida (cristalina) en donde los electrones carecen de movilidad. Por eso el germanio y el silicio puro son substancias aislantes.
Figura 1 - Estructura cristalina
Semiconductores
Si en un cristal de este tipo logramos incorporar átomos de otras substancias, aún en proporciones muy pequeñas, la conductividad de estos materiales varía drásticamente, convirtiéndolos en semiconductores. Estos materiales tienen un valor de conductividad que los sitúan entre los aisladores y los conductores de corriente.
Si la sustancia que se introduce tiene la capacidad de ceder electrones, éstos se convierten en la carga mayoritaria en esa zona (semiconductor tipo N).
Si, por el contrario, los átomos de la sustancia que se introduce son ávidos de electrones, la mayoría de los átomos en esta zona tendrán cargas positivas libres (tipo P). A estas cargas se las denominan “hoyos” ya que el electrón tomado deja un vacío (hoyo) en el átomo que lo cedió. A las substancias que se usan para alterar la conductividad del cristal puro se las conocen como dopantes o contaminantes.
El proceso de introducción de átomos que ceden o toman electrones, difusión, se ha convertido en un proceso robotizado, en donde los átomos de las substancias dopantes se introducen usando cañones electrónicos que bombardean los cristales (proceso de implantación).
La industria usa el cristal de silicio (Si) porque su comportamiento a altas temperaturas es superior al del germanio (Ge).
Quizá en el futuro haya células fotovoltaicas hechas con diamantes, ya que se han descubierto varios procesos para fabricarlos en cantidad y a bajo precio, pero no se ha investigado como llevar adelante el proceso de difusión. Este material, carbón, es superior al sicilio cuando la temperatura ambiente es elevada.
Juntura N-P
El proceso de difusión es repetitivo, de manera que pueden crearse zonas cuasi-conductoras, aisladoras o semiconductoras con diferentes cargas mayoritarias. Esto permite crear dos zonas cuasi-conductoras en los extremos del diodo, las que sirven para anclar los conectores externos, así como dos zonas adyacentes, una del tipo N; la otra del tipo P. La zona entre estas dos regiones se denomina juntura.
Nótese que la letra N se correlaciona con negativo y la letra P con positivo, indicando cual es la carga mayoritaria en cada zona.
La teoría muestra que las cargas mayoritarias (electrones de un lado y hoyos del otro) no permanecen inmóviles, desplazándose hacia la zona adyacente, donde la concentración es baja. Este desplazamiento de cargas (corrientes de desplazamiento) acumula cargas positivas en la zona N y negativas en la zona P, creando una diferencia de potencial en la juntura, la que establece un campo eléctrico (E).
El proceso migratorio continúa hasta que se vé interrumpido cuando el valor del potencial alcanza lo que se denomina el nivel de Fermi para esa sustancia.
El campo eléctrico E (V/distancia) en esta zona tendrá un valor elevado, ya que la juntura tiene muy pequeño espesor.
Figura 2 - El estado de equilibrio para una juntura N-P
En la expresión “F = q x E” la dirección de la fuerza depende del signo de la carga, de manera que los electrones y los hoyos se desplazan en sentidos opuestos.
Célula fotovoltaica
Cuando la luz solar que incide sobre la zona adyacente a la juntura tiene el espectro y nivel de energía requerido por el material (Si) el bombardeo de los fotones crea pares de cargas libres (Figura 3), los que se mueven libremente. Algunos de estos pares se recombinan (neutralizan) antes de migrar a la zona de juntura, pero un elevado porcentaje de electrones del lado P y de hoyos del lado N serán impulsados a través de la juntura. La dirección del campo eléctrico E (Figura 2) hace que estas cargas no puedan volver, alterándose el estado de equilibrio. Las cargas libres están listas para sostener una corriente cuando se conecten el lado N y P a una carga eléctrica externa.
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