¿Cómo funcionan las celdas solares?

El sol ha brillado en el cielo desde hace unos 5,000 millones de años y se calcula que todavía no ha llegado ni a la mitad de su existencia. Este año arrojará sobre la Tierra 4,000 veces más energía de la que la humanidad consumirá.

Cuando hablamos de energías alternativas, no podemos dejar de pensar en el sol. En alguna ocasión ya nos hemos referido a la energía solar como una de las mejores opciones, pues aparte de ser fuente de vida, el hombre la ha utilizado de diferentes maneras desde los inicios de su historia y podría satisfacer todas nuestras necesidades si aprendemos a aprovecharla.

El descubrimiento del efecto fotovoltaico (la transformación parcial de energía luminosa en eléctrica), en 1839, se atribuye al físico francés Alexandre-Edmond Becquerel (1820-1891), y es la base de las celdas solares (también llamadas fotovoltaicas), las cuales permiten convertir la luz en electricidad. Cinco décadas después, en 1883, el inventor americano Charles Fritts creó la primera celda fotovoltaica. Para ello utilizó un semiconductor de selenio con una fina capa de oro. Era un pequeño dispositivo con una eficiencia del 1%. En 1946, el ingeniero americano Russell Shoemaker Ohl (1898-1987) patentó la celda solar moderna, él puso en práctica el desarrollo del silicio alcanzando eficiencias superiores al 5% entre los años 1950 y 1960.

Las celdas solares fotovoltaicas se basan en dos obleas o láminas con materiales semiconductores. Ambas utilizan unos elementos químicos, denominados dopantes, que son impurezas añadidas para modificar sus propiedades conductoras y que fuerzan a una de las láminas a tener un exceso de electrones (carga negativa, N) y a la otra, a una falta de éstos (carga positiva, P). Esta unión P-N genera un campo eléctrico con una barrera de potencial que impide que se trasladen electrones entre las placas.

Cuando se expone esta unión P-N a la radiación solar, los fotones de la luz transmiten su energía a los electrones. Con esta aportación de energía, rompen la barrera de potencial y salen del semiconductor por un circuito exterior, así se produce corriente eléctrica. Las placas fotovoltaicas se componen de celdas, el módulo más pequeño capaz de producir electricidad.

El silicio es el material más utilizado para los paneles solares, si bien se fabrica de formas diferentes. El silicio puro monocristalino permite un rendimiento en los paneles comerciales del 16%, pero su precio es caro. El silicio puro policristalino, reconocible por su aspecto granulado, es más barato pero logra un rendimiento del 14%. El amorfo se utiliza en pequeños aparatos, como calculadoras, relojes o paneles portátiles de menor tamaño. Su rendimiento es del 8%. Actualmente los científicos trabajan con otros materiales, como el teleruro de cadmio o los sulfuros y seleniuros de indio, para ampliar el abanico de posibilidades.

Los paneles pueden ser fijos o dinámicos, gracias a los seguidores solares, que funcionan como una especie de girasol mecánico, su misión consiste en hacer que los paneles sigan al sol desde su salida hasta que se oculta. De esta manera, aprovechan la radiación solar mucho mejor que los sistemas fijos.

Los materiales de uso común para la fabricación de celdas solares son el silicio cristalino y el arseniuro de galio. Los cristales de arseniuro de galio son creados especialmente para uso fotovoltaico, obviamente son más eficaces y costosos, mientras que los cristales de silicio están disponibles en lingotes estándar más baratos producidos principalmente para el consumo de la industria microelectrónica. El silicio policristalino es menos eficiente pero también tiene un costo menor.

Cuando es expuesta a luz solar directa, una celda de silicio de 6 cm de diámetro puede producir una corriente de entre 0,5 amperios a 0,5 voltios (equivalente a un promedio de 90 W/m², en un rango de usualmente 50-150 W/m², dependiendo del brillo solar y la eficacia de la celda).

Los lingotes cristalinos son cortados en discos finos como una oblea, después son pulidos para eliminar posibles daños causados por el corte. Se introducen dopantes dentro de las obleas y se depositan conductores metálicos en cada superficie: una fina rejilla en el lado donde da la luz y usualmente una hoja plana en el otro.

Ver también: 3 tipos de paneles solares

Los paneles solares son construidos con estas celdas cortadas en forma apropiada. Para protegerlos de daños en la superficie frontal causados por radiación o por su mismo manejo, se les acopla una cubierta de vidrio y son colocados sobre un sustrato (el cual puede ser un panel rígido o una tela blanda). Se realizan conexiones eléctricas en serie-paralelo para determinar el voltaje de salida total. Los materiales donde se colocan deben ser conductores térmicos, ya que las celdas se calientan al absorber la energía infrarroja que no es convertida en electricidad, y como el calentamiento de las celdas reduce su eficacia de operación, se busca minimizarlo. Los paneles solares se comercializan en la actualidad gracias a su alta eficiencia, que en teoría podría llegar hasta un 33%, sin embargo, su alto precio ha llevado a los investigadores a probar otros materiales y a crear nuevos sistemas.

La segunda generación de celdas solares data de los años noventa y su funcionamiento está basado en un método de producción epitaxial (que es un proceso de fabricación de circuitos integrados, donde, a partir de una cara de un cristal de material semiconductor, se hace crecer una capa uniforme y de poco espesor con la misma estructura cristalina de éste) para crear láminas mucho más flexibles y delgadas que sus predecesoras, por ello se las denomina paneles de lámina delgada. La eficiencia, de entre el 28% y el 30%, es otra de sus principales ventajas, pero su costo elevado las limita hoy en día a los sectores aeronáutico y espacial.

Diversas empresas de todo el mundo trabajan para generalizar estos sistemas de segunda generación. Algunos expertos hablan ya de paneles solares de bajo costo, que emplean materiales distintos al silicio, como microestructuras CIGS, denominadas así por los materiales que utiliza (cobre, indio, galio y selenio), o CIS (en caso de no incluir galio).

Otros investigadores han creado tecnologías como las celdas orgánicas fotovoltaicas (OPV), que son polímeros (plásticos) orgánicos capaces de reaccionar a la luz solar.

Las posibilidades de estos materiales son enormes. Por el momento, la eficiencia de estas placas es todavía más baja que las de primera generación, pero sus defensores aseguran que sólo es cuestión de tiempo alcanzarlas e incluso superarlas. Algunos expertos estiman que podrían tener una relación costo/eficiencia mejor que los combustibles fósiles a partir de 2015.

La tercera generación, todavía en fase de experimentación, busca mejorar los paneles de láminas delgadas. Diversos investigadores y empresas en el mundo trabajan en varias tecnologías, como las denominadas de huecos cuánticos, nanotubos de carbono o nanoestructuras de óxido de titanio con colorante (DSSC). Con ellas se podría crear una pintura que recubriría las casas o las carreteras para generar energía, así como tintes para todo tipo de aparatos electrónicos, prendas textiles o coches solares. La eficiencia de estos sistemas también podría ser superior (entre el 30% y el 60%).

Una cuarta generación de paneles solares uniría nanopartículas con polímeros para lograr celdas solares más eficientes y baratas. El panel consistiría en varias capas que no sólo aprovecharían los diferentes tipos de luz, sino también el espectro infrarrojo. La NASA ha utilizado esta tecnología multi-unión en sus misiones a Marte.

Algunos otros expertos no hablan de generaciones, sino de avances en la relación del costo de fabricación/eficiencia de la conversión energética. En teoría, los paneles solares podrían lograr una conversión de la luz solar en electricidad de un 93%. El costo tendría que bajar también para competir con los combustibles fósiles y la energía nuclear.

En México ya existen varias empresas fabricantes de paneles solares, como Sanyo Electric, Co., Ltd., que se encuentra en Monterrey, y Kyocera, en Tijuana, Baja California.

En la actualidad, las celdas solares se proyectan como la solución definitiva al problema de la electrificación en las zonas rurales pues no contaminan, no producen ruido, no consumen algún tipo de combustible y el mantenimiento que requieren es mínimo, ya que no tienen partes móviles; por otro lado, aunque con menos rendimiento, funcionan también en días nublados al captar la luz que se filtra a través de las nubes.

Si se consigue que el precio de las celdas solares siga disminuyendo, se iniciaría su fabricación a gran escala, es muy probable que para la tercera década del siglo una buena parte de la electricidad consumida en los países ricos en sol tenga su origen en la conversión fotovoltaica.