Célula fotoeléctrica para niños
Una célula fotoeléctrica, también conocida como celda solar o célula solar, es un aparato electrónico que convierte la energía de la luz (los fotones) en energía eléctrica (un flujo de electrones libres). Esto ocurre gracias a un fenómeno llamado efecto fotoeléctrico, que genera energía solar fotovoltaica. La célula está hecha de un material especial que absorbe la luz y libera electrones. Cuando estos electrones son recogidos, se crea una corriente eléctrica que podemos usar como electricidad.
La mayoría de las células solares que se venden hoy en día, hechas de silicio monocristalino, convierten alrededor del 16% de la luz solar en electricidad. Sin embargo, esta eficiencia puede variar. Las células de silicio amorfo tienen una eficiencia de alrededor del 6%, mientras que las de silicio monocristalino pueden llegar hasta el 22%. También existen células más avanzadas, como las de varias capas (hechas de arseniuro de galio), que alcanzan un 30% de eficiencia. En laboratorios, se han logrado eficiencias experimentales de más del 46%.
Una célula solar puede funcionar a su máximo rendimiento durante unos 25 años. Después de este tiempo, su capacidad para producir energía empieza a disminuir.
Cuando muchas células fotoeleléctricas se agrupan para generar energía solar, forman lo que conocemos como un panel fotovoltaico.
Los paneles fotovoltaicos son como una red de células solares conectadas. Se unen en un circuito en serie para aumentar el voltaje (la "fuerza" de la electricidad) hasta el nivel deseado, como 12 o 24 V. Además, se conectan varias de estas redes en un circuito paralelo para aumentar la cantidad de corriente eléctrica que el panel puede producir.
La electricidad que proporcionan las células solares es de corriente continua (CC). Si se necesita corriente alterna (CA), como la que usamos en casa, se puede usar un aparato llamado inversor. Si se quiere aumentar el voltaje, se usa un convertidor de potencia.
Contenido
Historia de las Células Solares
¿Quién descubrió el efecto fotovoltaico?
El efecto fotovoltaico fue demostrado por primera vez por el físico francés Edmond Becquerel. En 1839, cuando tenía 19 años, construyó la primera célula fotovoltaica en el laboratorio de su padre. Más tarde, en 1873, Willoughby Smith describió cómo la luz afectaba al selenio cuando pasaba una corriente eléctrica.
Primeras Células Solares Sólidas
En 1883, Charles Fritts creó la primera célula fotovoltaica de estado sólido. Lo hizo cubriendo selenio (un semiconductor) con una capa delgada de oro. Este dispositivo solo tenía una eficiencia del 1%. En 1888, el físico ruso Aleksandr Stoletov construyó una célula basada en el efecto fotoeléctrico externo, descubierto por Heinrich Hertz en 1887.
La Explicación de Einstein
En 1905, Albert Einstein propuso una nueva teoría sobre la luz y explicó el efecto fotoeléctrico. Por este trabajo, recibió el Premio Nobel de Física en 1921.
Avances Modernos en Células Solares
Vadim Lashkaryov descubrió uniones especiales en materiales en 1941. Luego, Russell Ohl patentó la célula solar moderna con unión de semiconductores en 1946. La primera célula fotovoltaica práctica se mostró al público el 25 de abril de 1954 en los Laboratorios Bell. Sus inventores fueron Daryl Chapin, Calvin Souther Fuller y Gerald Pearson.
Las células solares se hicieron famosas cuando se usaron en el satélite artificial Vanguard I en 1958. Después, se utilizaron en muchos otros satélites durante la década de 1960.
Reducción de Costos
Durante las siguientes dos décadas, las células solares mejoraron poco a poco. Al principio, eran muy caras porque los usuarios espaciales pagaban lo que fuera por las mejores células. Sin embargo, a medida que la industria de los semiconductores avanzó y los circuitos integrados se hicieron más comunes, el precio de los materiales bajó. Esto hizo que el costo de las células solares también disminuyera, llegando a unos 100 dólares por vatio en 1971.
¿Cómo Funciona una Célula Fotovoltaica?
Imagina un semiconductor (un material que conduce la electricidad bajo ciertas condiciones) expuesto a la luz. Cuando un fotón (una partícula de luz) choca con el material, le da suficiente energía a un electrón para que se suelte de su átomo. Esto crea un "hueco" en el lugar donde estaba el electrón. Normalmente, el electrón volvería rápidamente a llenar ese hueco, y la energía del fotón se convertiría en calor.
El secreto de una célula fotovoltaica es que obliga a los electrones y a los "huecos" a moverse en direcciones opuestas, en lugar de simplemente reunirse. Así, se crea una diferencia de potencial (como la que hay en una pila), generando electricidad.
Para lograr esto, se crea un campo eléctrico permanente dentro del material. Esto se hace uniendo dos capas de semiconductores que han sido "dopadas" de forma diferente. En las células de silicio, que son las más comunes, encontramos:
- Capa superior (tipo n): Esta capa de silicio tiene más electrones libres de lo normal. Se llama "n" por negativo, porque tiene un exceso de electrones. Aunque el material es neutro en general, tiene más electrones disponibles para moverse.
- Capa inferior (tipo p): Esta capa de silicio tiene menos electrones libres de lo normal. Se llama "p" por positivo, porque tiene "huecos" donde los electrones deberían estar. Estos huecos actúan como portadores de carga y también pueden moverse.
Cuando estas dos capas se unen, algunos electrones de la capa "n" se mueven a la capa "p" y llenan los huecos. Esto crea una zona especial llamada "Zona de Carga Espacial" (ZCE) o "zona de barrera". En esta zona, la capa "n" se vuelve un poco positiva (porque perdió electrones) y la capa "p" se vuelve un poco negativa (porque ganó electrones). Este campo eléctrico actúa como un diodo, permitiendo que los electrones se muevan solo en una dirección.
Cuando la luz incide en la célula, los fotones liberan electrones y crean huecos. Gracias al campo eléctrico en la ZCE, los electrones se mueven hacia la capa "n" (que se convierte en el polo negativo) y los huecos se mueven hacia la capa "p" (que se convierte en el polo positivo). Así se genera la electricidad. Este proceso es más eficiente en la ZCE, donde los electrones y huecos tienen menos probabilidades de reunirse antes de ser recogidos.
En resumen, una célula fotovoltaica es como un generador de energía al que se le ha añadido un diodo. Para que sea útil, también necesita contactos eléctricos para extraer la energía, una capa protectora que deje pasar la luz, una capa antirreflectante para absorber más luz, y otros elementos que mejoren su eficiencia.
Fabricación de Células Fotovoltaicas
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El silicio es el material más usado para fabricar células fotovoltaicas. Se obtiene de la sílice, un compuesto muy abundante en la Tierra, que se encuentra en la arena o el cuarzo.
Pasos de Fabricación
1. Producción de Silicio Metalúrgico: Primero se obtiene silicio con un 98% de pureza a partir de piedras de cuarzo. 2. Purificación: Este silicio se purifica con procesos químicos hasta que es extremadamente puro, con menos de 0.2 partes por millón de impurezas. Este es el silicio que se usa en la industria de los semiconductores. Para las células solares, se necesita un nivel de pureza un poco menor, llamado "silicio de grado solar". 3. Crecimiento Cristalino: El silicio purificado se funde a más de 1500 °C. Luego, se inicia un proceso para que se solidifique formando un gran cristal (monocristal) o varios cristales (policristal). El método más común es el Proceso Czochralski. El silicio resultante tiene forma de lingotes. 4. Corte de Obleas: Estos lingotes se cortan en láminas delgadas y cuadradas de unos 200 micrómetros de grosor, llamadas "obleas". Después, se les añade un "dopante" (como P o B) para crear los semiconductores tipo P o N. 5. Tratamiento Superficial: Las obleas cortadas pueden tener imperfecciones. Se lavan, se limpian con ultrasonidos y productos químicos, y se pulen para mejorar su superficie. Las células de mejor calidad (monocristalinas) se "texturizan" para que absorban la luz solar de manera más eficiente. 6. Metalización: Finalmente, se añaden cintas de metal incrustadas en la superficie de las obleas. Estas cintas son los contactos eléctricos que recogen la energía generada por la célula y la transmiten.
La fabricación de células fotovoltaicas requiere energía. Se calcula que un panel solar debe funcionar entre 2 y 3 años para producir la misma cantidad de energía que se usó para fabricarlo.
La investigación busca reducir el costo y mejorar el reciclaje de las células. En los últimos años, ha habido escasez de silicio, lo que ha mantenido los precios altos. Por eso, la industria busca usar menos silicio. Las células monocristalinas, por ejemplo, han reducido su grosor de 300 a 200 micrómetros, y se espera que sigan disminuyendo, lo que reducirá la cantidad de silicio y la energía necesaria para su producción.
Tipos de Células Solares
Existen diferentes tipos de células solares, cada una con sus propias características:
Células de Silicio Amorfo
Estas células se fabrican proyectando un gas de silicio sobre una lámina de vidrio. Son de color gris muy oscuro y se usan en calculadoras y relojes "solares".
- Ventajas:
* Funcionan bien con poca luz, incluso en días nublados. * Son un poco más económicas. * Se pueden integrar en soportes flexibles o rígidos.
- Inconvenientes:
* Su rendimiento a pleno sol es bajo (del 5% al 7%). * Su rendimiento disminuye con el tiempo (alrededor del 7%).
Célula de Silicio Monocristalino
Cuando el silicio fundido se enfría, forma un único cristal grande. Este cristal se corta en capas delgadas para hacer las células. Suelen ser de un azul uniforme.
- Ventajas:
* Buen rendimiento (del 14% al 16%). * Buena relación potencia-superficie (ocupan menos espacio para la misma potencia). * Muchos fabricantes las producen.
- Inconvenientes:
* Son más caras.
Células de Silicio Policristalino
Durante el enfriamiento del silicio en un molde, se forman varios cristales. Estas células tienen un aspecto azulado, pero no uniforme, ya que se ven diferentes tonos debido a los distintos cristales.
- Ventajas:
* Son cuadradas, lo que permite un mejor aprovechamiento del espacio en un panel. * Buena eficiencia de conversión (alrededor del 14%). * El lingote de silicio es más barato de producir que el monocristalino.
- Inconveniente:
* Bajo rendimiento en condiciones de poca luz.
Célula Tándem
Estas células se construyen apilando dos células individuales, por ejemplo, una capa delgada de silicio amorfo sobre silicio cristalino. Al combinar dos células que absorben diferentes partes del espectro de luz, se mejora el rendimiento general.
- Ventajas:
* Alta sensibilidad a un amplio rango de longitudes de onda. * Excelente rendimiento.
- Inconveniente:
* El costo es alto porque se superponen dos células.
Célula Multiunión
Estas células tienen una eficiencia muy alta y se desarrollaron para aplicaciones espaciales. Están compuestas por varias capas delgadas de diferentes materiales semiconductores. Por ejemplo, una célula de triple unión puede estar hecha de materiales como GaAs, Ge y GaInP2. Cada material absorbe una parte diferente del espectro solar, lo que permite aprovechar al máximo la luz del sol. En el futuro, se espera que estas células alcancen eficiencias muy altas. Sin embargo, su costo es elevado.
El Semiconductor CIGS
Esta técnica consiste en depositar un material semiconductor que contiene cobre, galio, indio y selenio sobre un soporte.
- Preocupación: Estos materiales usan metales raros como el indio, el teluro, el galio y el germanio. Aunque se necesitan pequeñas cantidades, un uso masivo de paneles solares podría enfrentar limitaciones debido a la disponibilidad de estos metales.
Usos de las Células Fotovoltaicas
Las células fotovoltaicas se usan a veces solas, como en la iluminación de jardines o en calculadoras. También se agrupan en paneles solares fotovoltaicos.
Se utilizan para reemplazar a las baterías en aparatos pequeños como calculadoras y relojes.
Es posible almacenar la energía que producen usando un condensador o pilas. Cuando se usan con un sistema de almacenamiento, se necesita un diodo para evitar que el sistema se descargue durante la noche.
Las células solares se usan para generar electricidad en muchas aplicaciones, como satélites, parquímetros, y para alimentar hogares o conectarse a una red eléctrica pública en el caso de una central solar fotovoltaica.
Las Tres Generaciones de Células Fotoeléctricas
Las células fotoeléctricas se clasifican en tres "generaciones" según su desarrollo histórico y su importancia actual. Aunque se sigue investigando en las tres, las tecnologías de la primera generación son las más comunes en la producción comercial hoy en día.
Primera Generación
Las células de primera generación son grandes, de alta calidad y fáciles de unir. Están hechas principalmente de silicio. Aunque son muy usadas, ya no se esperan grandes avances en la reducción de sus costos de producción. Su eficiencia teórica máxima es del 31%, y tardan entre 5 y 7 años en producir la energía que se usó para fabricarlas.
Segunda Generación
Los materiales de la segunda generación se desarrollaron para producir células solares de forma más económica. Se usan técnicas de fabricación diferentes, como la deposición química de vapor, que reducen la temperatura del proceso.
Algunos materiales exitosos de esta generación son las películas finas de teluro de cadmio (CdTe), CIGS, silicio amorfo y silicio microamorfo. Estos materiales se aplican en una capa delgada sobre un soporte como vidrio o cerámica, lo que reduce la cantidad de material necesario y, por lo tanto, los costos. Estas tecnologías prometen eficiencias de conversión más altas y costos de producción mucho más baratos.
Aunque la comercialización de estas tecnologías ha sido un desafío, algunos fabricantes ya las están usando. Por ejemplo, en 2007, First Solar produjo una gran cantidad de células de CdTe, y otras empresas como Wurth Solar y Nanosolar también comenzaron a comercializar tecnologías CIGS.
En 2007, las células de CdTe representaron el 4.7% del mercado, las de silicio de película fina el 5.2%, y las de CIGS el 0.5%.
Tercera Generación
Las células solares de tercera generación buscan lograr eficiencias de conversión eléctrica mucho mayores que las actuales, manteniendo un bajo costo de producción. La investigación actual se enfoca en alcanzar eficiencias del 30-60%, e incluso superar el límite teórico de eficiencia del 31% para un solo material. Esto se puede lograr usando células fotovoltaicas con multiunión, concentrando la luz solar, o usando la generación térmica por luz ultravioleta o el espectro infrarrojo para la actividad nocturna.
Eficiencia de las Células Solares
El récord actual de eficiencia para células fotovoltaicas sin concentración solar es del 45%. Con concentración solar, el Instituto Tecnológico de Massachusetts está probando células solares que podrían superar el 80% de eficiencia. Estas células están compuestas por una capa de nanotubos de carbono con cristales fotónicos, que actúan como un "absorbedor-emisor".
Más Información
- Anexo:Materiales semiconductores
- Anexo:Cronología del desarrollo de las células solares
- Calentador solar
- Colector solar
- Concentrador solar
- Efecto fotoeléctrico
- Electrónica de estado sólido
- Energía solar fotovoltaica
- Energía solar
- Fotodiodo
- Fotorresistor
- Panel solar
- Panel fotovoltaico
- Película fina
- Semiconductor
