Todo sobre las celdas solares

Las celdas solares (o paneles fotovoltaicos, como se les conoce a veces) están en todos lados ahora. Desde calculadoras de bolsillo, hasta vehículos, casas particulares, proyectos gubernamentales, y satélites espaciales, su uso se está masificando. Su capacidad de generar electricidad solamente con la luz solar las hace muy útiles en una variedad de situaciones.
A pesar que las celdas solares, o celdas fotovoltaicas, existen desde hace mucho tiempo, es solo recientemente que avances tecnológicos han permitido utilizarlas de manera eficaz, y a un precio razonable. El reciente aumento en el precio de petróleo ha creado una demanda increíble por métodos alternativos de energía, con lo cual las celdas solares han experimentado un nuevo auge.

Fundamentos de una celda solar
Una celda solar o panel fotovoltaico convierte energía proveniente de la luz en energía eléctrica. El término celda solar se utiliza normalmente para especificar aquellas celdas que utilizan luz proveniente del sol, mientras que se especifica una celda fotovoltaica cuando no está definida la fuente de la luz a utilizar.
Ya que la mayor fuente de luz que conocemos es el Sol, casi siempre se utiliza la luz solar para generar electricidad, además que es una fuente de luz totalmente gratis. al menos durante las horas que dura un día (estas horas pueden variar dependiendo de la ubicación geográfica y física de la celda). La desventaja principales es que no es posible generar energía durante horas de la noche. Existen varias maneras de solucionar estos problemas, pero primero veamos una breve reseña de la historia de las celdas solares.

Historia de las celdas solares o fotovoltaicas
El efecto foto-voltaico utilizado en las celdas solares fue reconocido por primera vez por Alexandre Becquerel. Sin embargo, no fue sino hasta 1883 cuando se construyó la primera celda solar, por Charles Fritts. Este último produjo una celda solar solo 1% eficiente (es decir, solo podía aprovechar el 1% de la energía en la luz, el otro 99% era desperdiciado). Fue hasta 1954 cuando los Laboratorios Bell, descubrieron que ciertos semiconductores, cuando eran contaminados a propósito, se volvían extremadamente sensibles a la luz.
Este último descubrimiento llevó a la creación de celdas solares que eran eficientes a un 6%, lo cual ya las hacía viables para ciertas aplicaciones. Este avance hizo posible que se lanzara al espacio en 1958 el primer satélite con celdas solares, el Sputnik 3. En la actualidad, y debido a constantes avances en el área, se ha logrado obtener hasta un 42% de eficiencia en conversión de energía.
Componentes básicos 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.

Funcionamiento de una celda solar
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.
Manufactura de celdas solares
En la actualidad, la mayoría de celdas solares se construyen en módulos rígidos de 36 celdas o más, conectadas en serie y en paralelo, para generar el voltaje y corriente que se necesita. Al mismo tiempo, después de la capa de vidrio, se le pone una capa antireflectiva al silicón, lo que minimiza la luz desperdiciada por el reflejo. Finalmente, alrededor de ambas capas de silicón, se ponen los contactos que componen los polos positivo y negativo de la celda solar.
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.
Eficiencia de las celdas solares
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.
Aunado a la baja eficiencia de las celdas solares, está el hecho que son relativamente caras producirlas. Se estima que, en la actualidad, una instalación doméstica de celdas solares cuesta aproximadamente $9/watt. Esto quiere decir que, para poder proveer energía para una bombilla de 100 watts, se necesitaría invertir $900, y esto solamente proveería energía de día. Para evitar esto, usualmente los sistemas de celdas solares se instalan junto con sistemas automáticos de baterías y conmutación, los cuales permiten almacenar energía cuando no se utiliza durante el día, y poder utilizarla durante la noche, cuando es más necesaria. Toda esta complejidad, sin embargo, agrega costos adicionales, así como delays por mantenimiento.
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.
Conclusión
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.
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