Fundamentos de una celda solar
Toda celda solar moderna consta usualmente de los siguientes componentes:
· Placa de vidrio, que permite ingresar la luz, pero protege a los semiconductores en la celda de los elementos.
· Plancha de semiconductores tipo n y tipo p. El tipo n tiene una concentración de electrones mucho más alta que la del tipo p, y ambos están contaminados a propósito con átomos de otros elementos como el boro y el galio.
· Trayectoria por donde pueden circular los electrones para ir del semiconductor tipo n al tipo p. Esto es usualmente dos capas que rodean a la plancha de semiconductores, que actúan como un conductor de electrones entre las dos capas de semiconductores.
· Finalmente, usualmente se le agrega una capa anti-reflectiva entre la placa de vidrio y el semiconductor, para minimizar la pérdida de luz por reflejo.
Pero, cómo logra la celda solar convertir luz en energía eléctrica? El secreto está en los fotones que son parte de todo rayo de luz. Los fotones no son más que la partícula elemental de toda señal electromagnética, así como los átomos son la partícula elemental de toda la materia. Todo fotón contiene una cantidad infininetismal de energía (4x10-19 joules, si estás interesado), y toda luz visible al ojo humano lleva grandes cantidades de fotones. Es la energía contenida en toda esta masa de fotones la que aprovecha la celda solar para convertir a electricidad.
El siguiente es el proceso básico, repetido millones de veces, que permite a una celda solar generar energía eléctrica:
· Los fotones pegan en la superficie de la celda, usualmente de vidrio. Ese permite pasar la luz a la capa de semiconductor n.
· Los átomos en la capa de semiconductores tipo n se excitan, "soltando" electrones, lo que genera un exceso de electrones en la misma.
· La capa de semiconductor tipo p tiene deficiencia de electrones, lo cual atrae a los electrones excitados provenientes de la capa tipo n. En términos eléctricos, se genera una diferencia de potencial entre ambas capas de semiconductor, mejor conocido como voltaje.
· Ya que la única manera de llegar del semiconductor tipo n al p es a través del cable que une a ambas, los electrones escogen esta vía. Esto causa un campo eléctrico en este cable, y esta es la corriente eléctrica que estamos buscando.
Aunque este diseño funciona muy bien para edificios y terrazas, que es donde usualmente se colocan estas celdas, es un problema cuando se intentan adaptar a botes y/o vehículos, por lo que actualmente se trabaja también en maneras de hacer celdas solares flexibles, las cuales puedan adaptarse fácilmente a las curvas aerodinámicas de automóviles y barcos. Estos también podrían hacer menos frágiles las celdas planas, minimizando el riesgo de dañarse, y bajando sus costos de instalación.
Como mencionamos al principio, la eficiencia de las celdas solares es bastante baja. Las primeras convertían menos del 1% de la luz recibida en energía eléctrica. Esto ha ido mejorando poco a poco, y actualmente se logra normalmente entre un 15% y 25% de eficiencia en las mejores celdas disponibles comercialmente. Algunas celdas de materiales avanzados han logrado llegar a un 42% de eficiencia, pero no en procesos industrializados de producción, sino en condiciones controladas en laboratorio.
Finalmente, existen diversos problemas: Si aún una pequeña parte de la celda solar la cubre alguna sombra, la eficiencia de la celda en su totalidad se vé disminuida drásticamente. Además, para maximizar la generación eléctrica, se debe optimizar su ángulo y orientación dependiendo de la ubicación geográfica y hasta los patrones de clima del lugar donde se instalará. Si no se toma todo esto en cuenta, la celda solar no generará lo suficiente para justificar su instalación y uso.
En resumen, las celdas solares tienen la posibilidad de ayudarnos a depender menos de los combustibles fósiles, pero todavía hace falta mucha investigación para llegar a un punto en el cual sea relativamente barato hacer el cambio. Por ahora, las celdas solares tienen aplicaciones en mercados muy específicos, donde exista abundancia de luz solar todo el año, y la luz eléctrica sea demasiado cara. Sin embargo, para la mayoría de nosotros, todavía quedan unos años antes de que estas tecnologías estén al alcance de nuestro bolsillo.