Celdas solares: Estructura y función

¿Qué es una celda solar?

Una celda fotovoltaica (PV para abreviar) es más comúnmente conocida como celda solar. Es un componente electrónico que puede generar electricidad cuando se expone a la luz, específicamente a los fotones (pequeñas partículas de luz). El proceso de conversión de fotones en electricidad es el efecto fotovoltaico. El efecto fotovoltaico fue descubierto por primera vez por el físico francés Edmond Becquerel en el año 1839. Sin embargo, más de 100 años después, en la década de 1960, se encontró y puso en uso la primera aplicación práctica, utilizando celdas solares en tecnología satelital. Veinte años después, en la década de 1980, los paneles solares se volvieron más adecuados para la gente común cuando comenzaron a instalarse en los hogares para proporcionar electricidad. El uso de energía fotovoltaica ha seguido creciendo, incluida la creación de grandes parques solares con filas de paneles solares para generar electricidad para áreas más grandes, como vecindarios y pueblos.

Una celda fotovoltaica, o celda solar, crea energía cuando se expone a la luz.

Estructura de una celda solar

¿De qué están hechos los paneles solares? Los paneles solares están hechos de múltiples celdas solares que aprovechan la energía del sol para generar electricidad. La parte principal de una celda fotovoltaica contiene numerosos materiales semiconductores colocados en capas para hacer esto. Dentro de la celda hay una capa de tipo p y una capa de tipo n. Entre los dos está lo que se llama la unión pn. La superficie de la celda está recubierta con una capa antirreflectante para minimizar la pérdida de luz. Existe una capa de contacto en la parte superior e inferior de la celda para completar el circuito y llevar la corriente a una ubicación externa.

La estructura básica de una celda solar involucra múltiples capas para crear el movimiento de electrones.

Capa tipo P

La capa de tipo p está hecha de silicio al que se le han agregado átomos como boro o galio. Estos átomos tienen un electrón menos en su capa externa que el silicio. A medida que los átomos se unen con el silicio, quedan «agujeros» debido a la falta de un electrón en cada átomo.

Capa tipo N

La capa de tipo n de la celda solar está hecha de silicio con átomos como el fósforo agregado, que contiene un electrón extra en su capa exterior. El electrón adicional no está involucrado cuando los átomos se unen con el silicio. Puede moverse libremente en la capa.

Unión PN

La unión pn es donde se encuentran las capas p y n. En esta unión, los electrones adicionales en la capa de tipo n se mueven hacia los huecos que quedan en la capa de tipo p; esto crea un área llamada zona de agotamiento alrededor de la unión.

¿Cómo funcionan las celdas solares?

Una vez que se llenan todos los agujeros en la zona de agotamiento, la capa de tipo p contiene iones cargados negativamente. La capa de tipo n contiene iones cargados positivamente, creando un campo eléctrico dentro de la celda fotovoltaica. La celda ahora está configurada como una batería, con la capa de tipo n actuando como terminal negativa y la capa de tipo p actuando como terminal positiva. Cuando la luz del sol golpea la celda solar, los electrones en el silicio son expulsados, creando agujeros en los que los electrones adicionales pueden moverse y llenar. El movimiento de los electrones se aprovecha y se utiliza para producir electricidad.

Aplicaciones de la celda solar

El uso y aplicación de las celdas fotovoltaicas ha aumentado constantemente en las últimas décadas. Si bien la función general de una celda solar es la conversión de energía, la forma en que se aplica realmente se ha expandido y crecido con el tiempo. Las ventajas de las celdas solares en comparación con otras fuentes de energía las han hecho cada vez más útiles en múltiples áreas. No necesitan una fuente de combustible, el mantenimiento es mínimo y se usan fácilmente en cualquier lugar donde haya una buena fuente de luz directa. Las celdas solares se utilizan comercial y residencialmente en tierra y en el espacio. Algunos usos comunes de las celdas fotovoltaicas son:

• Conjuntos: Los grandes grupos de celdas solares se conocen como conjuntos, que pueden estar formados por miles de celdas fotovoltaicas. Estos conjuntos actúan como centrales eléctricas para suministrar electricidad para uso industrial, comercial o residencial.
• Espacio: las celdas solares se utilizan para alimentar elementos en el espacio, como satélites y estaciones espaciales. Son muy superiores a otras fuentes de energía porque los requisitos de mantenimiento son bajos y no es necesario recargar ninguna fuente de combustible.
• Se instalan grupos más pequeños de celdas solares, llamados paneles solares, en los techos de las casas u otros edificios para generar electricidad para esa ubicación específica.

Muchas personas instalan paneles solares en los techos para generar electricidad para sus hogares, como se ha hecho aquí.

• Ubicaciones remotas: los paneles solares son una buena fuente de energía eléctrica para ubicaciones remotas. En estos casos, las fuentes de energía habituales pueden ser difíciles o costosas de instalar o pueden no estar disponibles.
• Productos más pequeños: la idea de lo que es un panel solar ha cambiado con el tiempo a medida que ha evolucionado el tamaño y el uso de estas celdas fotovoltaicas. Ahora se usan en dispositivos pequeños como juguetes, calculadoras, radios portátiles y muchos otros artículos más pequeños que se usan a diario.

Si bien las celdas solares tienen muchos usos y beneficios, existen limitaciones significativas. La producción total de energía de las celdas fotovoltaicas es solo una fracción de la que se produce por otros medios, como los combustibles fósiles. Esta característica dificulta que los paneles solares generen suficiente energía para cubrir áreas más grandes, como pueblos y ciudades.

Producción de celdas solares

La forma en que se fabrican los paneles solares involucra una variedad de materiales. Estos materiales incluyen silicio, películas delgadas y compuestos orgánicos para crear los tipos más comunes de celdas solares.

• Silicio: el silicio es el material más utilizado en las celdas solares y es el segundo elemento más común que se encuentra en la Tierra. Las celdas de silicio cristalino, especialmente, se utilizan en celdas fotovoltaicas, que son átomos de silicio unidos para formar una red cristalina. La estructura de los átomos de silicio es importante ya que la red hace que el proceso de conversión (cambiar la luz en energía) sea más eficiente.
• Película delgada: se usa un material base como vidrio, plástico o metal, y se colocan una o más capas de un semiconductor de película delgada sobre la base. Para la película delgada se utilizan telururo de cadmio y diseleniuro de cobre, indio y galio. El telururo de cadmio se usa más comúnmente, pero el diseleniuro de cobre, indio y galio se puede usar como un material más rentable.
• Material orgánico: la energía fotovoltaica orgánica está hecha de compuestos orgánicos que contienen una gran cantidad de carbono. Se utilizan varios compuestos para mejorar funciones particulares de las celdas. Sin embargo, las celdas que utilizan energía fotovoltaica orgánica son menos eficientes que las de silicio cristalino y tienen una vida útil más corta.
• Celdas solares de perovskita: se trata de un tipo específico de célula de película delgada creada al depositar capas sobre un sustrato. Son fáciles de ensamblar, pero deben volverse más estables con una vida útil más larga antes de que puedan ser comercialmente viables.
• Puntos cuánticos: los puntos cuánticos son materiales semiconductores que tienen unos pocos nanómetros de ancho. Son fáciles de convertir en celdas solares, se pueden personalizar y combinar con otros semiconductores, y se pueden usar para recolectar luz que de otro modo sería difícil de capturar. Sin embargo, es difícil crear la conexión eléctrica necesaria entre ellos, por lo que todavía se están investigando los puntos cuánticos. Actualmente, no son muy eficientes para su uso en celdas solares.
• Celdas solares de unión múltiple: actualmente solo se utilizan para la exploración espacial debido al costo y la dificultad de fabricarlas. Este tipo de celda solar recubre diferentes tipos de semiconductores, produciendo una celda que puede absorber diferentes partes del espectro de luz y es mucho más eficiente.
• Energía fotovoltaica de concentración: estas celdas, llamadas CPV, enfocan la luz solar en una celda solar usando espejos o lentes, lo que reduce la cantidad de material necesario y también aumenta la eficiencia de la celda. Sin embargo, este tipo de celda se usa con moderación debido a la necesidad de materiales más caros, procesos de fabricación y mayores necesidades técnicas.

Resumen de la lección

Una celda fotovoltaica (PV) o celda solar es un componente eléctrico que convierte las partículas de luz ( fotones ) en electricidad. La conversión de luz en electricidad se llama efecto fotovoltaico. Las celdas solares se utilizan en múltiples aspectos. Los satélites y las estaciones espaciales los utilizan como fuente de energía; se utilizan para alimentar grandes áreas en grupos de miles de celdas llamadas matriz. Las casas y los edificios comerciales los instalan en los techos en grupos más pequeños llamados paneles solares para proporcionar energía al edificio, y se usan en calculadoras y juguetes. La mayoría de las celdas solares están hechas de silicio, un semiconductor de película delgada como el telururo de cadmio o compuestos orgánicos que contienen altas cantidades de carbono. Los paneles solares tienen una capa antirreflectante para reducir la cantidad de luz que se pierde de la celda y una capa de contacto superior e inferior para llevar la corriente a un dispositivo externo. La parte principal de la celda contiene una capa de tipo p hecha de silicio y átomos como el boro o el galio que tienen un electrón menos. Cuando se unen con el silicio, quedan agujeros. Otra capa, la capa de tipo n, es de silicio con fósforo agregado que tiene un electrón extra. Después de que los átomos se unen, este electrón adicional es libre de moverse. La unión pn es donde se encuentran estas dos capas. El exceso de electrones se mueve hacia los agujeros, creando una zona de agotamiento alrededor del cruce. La capa de tipo p ahora contiene iones positivos y actúa como un terminal positivo en una batería. La capa de tipo n contiene iones negativos y actúa como terminal negativo. Cuando la luz del sol golpea la celda solar, se expulsan electrones, creando agujeros que se pueden rellenar. A medida que los electrones se mueven para hacer esto, el movimiento se aprovecha y se utiliza para producir electricidad.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador