Energías Alternativas Ecología

Fecha: Sábado, 4 Marzo, 2006 - 00:00

Conversión de energía solar en electricidad

La conversión directa de energía solar en electricidad se logra con las celdas solares, también llamadas celdas fotovoltaicas (o celdas FV), construidas con materiales semiconductores, similares a los usados en los chips de las computadoras. Al absorber energía solar, los semiconductores se desprenden de algunos de sus electrones, los que son obligados a moverse -por un campo eléctrico - en un sentido determinado, produciendo una corriente eléctrica. El proceso se conoce como “efecto fotovoltaico”.
Las celdas solares, en grupos de aproximadamente 40, forman módulos, que conectados de a diez integran los “paneles solares”. Los paneles, con forma de rectángulos o cuadrados, pueden llegar a tener algunos metros de lado.
En el Hemisferio Sur conviene montarlos, con una inclinación que depende de la latitud del lugar, en los techos que miran al norte. El montaje puede hacerse sobre una estructura fija, o dotada de un mecanismo que sigue la trayectoria del sol, lo que mejora la eficiencia de la conversión de luz solar en electricidad.
Con 10 a 20 paneles se puede obtener la potencia necesaria para una vivienda; se requieren centenares de paneles para aplicaciones industriales o para energía a distribuir por redes.
Existen en esta época celdas solares de unos pocos micrómetros de espesor (un micrómetro es igual a una millonésima de metro), construidos con películas semiconductoras. Esta tecnología permite revestir techos con paneles solares similares a las membranas de techo y su duración es similar a la de los revestimientos comunes.
Algunos paneles solares se diseñan para operar con luz solar concentrada; su construcción requiere colectores concentradores, que enfocan la luz solar en las celdas. Se busca de esta manera reducir la cantidad de semiconductores que forman las celdas FV, para abaratarlas. Este diseño tiene ventajas y desventajas respecto de los paneles planos; para potencias importantes (industrias, energía para redes, grandes edificios), se requieren dispositivos sofisticados para seguimiento del sol, lo que encarece su uso.
El rendimiento de las celdas solares se calcula dividiendo la energía eléctrica que generan por la energía solar que reciben. Sólo ciertas longitudes de onda de la luz solar pueden producir el efecto fotovoltaico, y parte de la luz que incide sobre una celda solar es reflejada o absorbida por el material de la celda. Por esta causa, una celda solar típica actual tiene una eficiencia del orden del 15 %: esto significa que sólo un poco menos de 1/6 de la luz incidente se transforma en electricidad. Estas bajas eficiencias conducen al uso de grandes paneles y, por tanto, a mayores costos. Se están realizando inversiones importantes en investigaciones para aumentar la eficiencia, con resultados alentadores; debe recordarse que las primeras celdas, que aparecieron aproximadamente en 1950, tenían eficiencias de menos del 4 %.

Cómo se obtiene y funciona una celda FV
Para empezar, hay que recordar que los átomos tienen un núcleo (con carga positiva), rodeado de una nube de electrones, con cargas negativas, que igualan a la positiva del núcleo; es decir, que el átomo es eléctricamente neutro.
 El átomo de silicio tiene -en su nube externa- cuatro electrones de valencia, mediante los que se une a otros átomos vecinos de silicio para formar cristales; estos tienen una estructura en red de tres dimensiones, donde cada átomo se une a otros cuatro, compartiendo electrones de a pares. Siempre que pueden, los electrones forman pares, porque ese es su estado de menor energía. Esos pares de electrones compartidos, llamados “enlaces”, unen muy fuertemente a los átomos que componen el cristal.
En un cristal puro no existen electrones libres que estén esperando formar un par (o pareja) con otro electrón. Justamente, la ausencia de electrones libres en los cristales de silicio puro explica por qué son malos conductores (buenos aislantes) de la electricidad.
El truco que permite generar electricidad con la celda solar consiste en movilizar los electrones -liberados por impacto de fotones- en una misma dirección, dando lugar a una corriente eléctrica. Esa movilización, en un sentido dado, requiere un campo eléctrico, el que se logra poniendo juntos dos semiconductores diferentes.
Estos semiconductores se obtienen introduciendo impurezas en pequeña cantidad (proceso que se llama “dopado”) en el cristal de silicio puro; estas impurezas sustituyen algunos átomos de silicio (con 4 electrones de valencia) por otros elementos químicos de valencia menor (3) o mayor (5). Así, por ejemplo, se incorpora:
- boro, con 3 electrones de valencia, a un cristal de silicio, que ahora podrá aceptar un electrón adicional (semiconductores tipo p);
- fósforo, con 5 electrones de valencia, a otro cristal de silicio, que ahora podrá donar un electrón (semiconductores tipo n).

Cuando se introducen átomos de boro en el cristal de silicio, los 3 electrones de valencia del boro forman enlaces fuertes con los átomos de silicio vecinos, pero un electrón de los 4 del átomo de silicio se quedará “soltero”, esperando otro electrón con quien formar pareja; al electrón faltante -del que carece el átomo de boro- se lo llama “agujero” y se lo puede considerar como si fuera una carga positiva, por ser -en cierta forma - lo contrario a un electrón (que tienen carga negativa). Los cristales de silicio que tienen este tipo de “agujeros” (o faltante de electrón) son llamados “semiconductores tipo p” (p por positivo).
En forma análoga, cuando se incorporan átomos de fósforo al cristal de silicio, 4 de los 5 electrones de valencia del fósforo forman enlaces con los 4 electrones de los átomos vecinos de silicio; el quinto electrón del fósforo quedará “soltero”, sin ligazones, y podrá moverse fácilmente en la zona cercana. Los cristales de silicio “dopados” con átomos de elementos -como el fósforo- con un electrón de valencia “sobrante” son llamados “semiconductores tipo n” (n por negativo).
Se logra una celda fotovoltaica poniendo en contacto un semiconductor tipo n con uno de tipo p. En la zona de contacto (o “juntura”) de ambos semiconductores, los electrones “sobrantes” del fósforo (negativos, como todos los electrones) son atraídos por los “agujeros” (positivos) del boro; aparece así, en esa zona de contacto, un campo eléctrico de unos 0,5 voltios, pues ese desplazamiento de electrones -desde los átomos de fósforo hacia los de boro- deja una carga positiva del “lado n” y una negativa del “lado p”.
Gracias al campo eléctrico así creado, cuando un electrón es liberado por el impacto de un fotón de luz, se mueve hacia la zona positiva, originando una corriente eléctrica mientras los fotones siguen llegando y si el circuito se cierra por afuera.

Autor: Redacción EcoDias