Las
celdas solares son una de las fuentes más limpias
de energía. Se pueden encontrar en muchos lugares,
como calculadoras, satélites, señales de
tránsito, boyas e incluso automóviles. La
idea de aprovechar la energía solar es bastante
atractiva: en un día soleado, cada metro cuadrado
de tierra recibe aproximadamente mil watts de energía.
Las celdas solares son llamadas también fotovoltaicas;
como esta palabra indica, convierten la luz en voltaje,
o potencial eléctrico. Están hechas de materiales
semiconductores, el más usado de los cuales es
el silicio.
El silicio tiene características químicas
interesantes, especialmente en su forma cristalina. Un
átomo de silicio tiene catorce electrones, organizados
en tres capas. Las dos capas más cercanas al centro
tienen todos los electrones que pueden albergar. En cambio,
la capa exterior tiene solamente cuatro electrones, aunque
pueda albergar ocho. El átomo intenta siempre llenar
esta capa, lo que produce un intercambio de electrones
con los átomos vecinos. Así, por cada electrón,
el átomo de silicio puede formar un enlace con
otros cuatro átomos semejantes. Así se forma
una estructura cristalina (o sea que los átomos
están ordenados geométricamente), y como
los electrones forman enlaces fuertes entre los átomos,
son mantenidos en ese lugar y el material resulta un mal
conductor.
Para ser usado en las celdas solares, la estructura cristalina
es modificada ligeramente. Por lo general se piensa en
impurezas en una forma negativa, pero en el caso de las
celdas solares son las impurezas las que ayudan a producir
electricidad.
Una parte de la celda consiste en silicio con impurezas
de fósforo. Son pocos átomos de fósforo,
uno por cada millón de átomos de silicio.
El fósforo tiene cinco electrones en su capa exterior,
no cuatro como el silicio. En la estructura cristalina,
el fósforo provee entonces un electrón sobrante.
Si se tratara de silicio puro, al añadir cierta
cantidad de energía, por ejemplo en forma de calor,
algunos electrones se sueltan de sus átomos y vagarían
en el cristal, formando una corriente eléctrica;
sin embargo son pocos electrones. Por el contrario, con
el fósforo se requiere una menor cantidad de energía,
pues uno de sus electrones no está sujeto a los
átomos cercanos, y aún así se obtendría
una mayor cantidad de electrones libres. Este silicio
con impurezas de fósforo se denomina Tipo N, por
la prevalencia de electrones libres que lo tornan negativo.
(Los electrones están cargados negativamente y
se encuentran en la periferia del átomo; los protones
están cargados positivamente y se encuentran en
el núcleo; un átomo contiene normalmente
la misma cantidad de protones y electrones, y es eléctricamente
neutro. Cuando por alguna razón el átomo
gana o pierde un electrón, se convierte en un ion,
que trata de recobrar su equilibrio eléctrico.)
La otra parte de una celda es silicio tipo P, o positivo.
En vez de impurezas de fósforo, contiene impurezas
de boro. Los átomos de boro tienen tres electrones
en su capa exterior. Mientras que en un cristal de silicio
puro los cuatro enlaces posibles están ocupados
por los átomos cercanos, en el caso de un átomo
de boro los de silicio pueden formar un enlace extra.
Ésto crea un vacío, un enlace potencial
que tiende a ser llenado por los átomos cercanos.
Cuando otro átomo forma así un enlace doble,
lo hace rompiendo el enlace que tenía con otro
átomo, que a su vez busca otro enlace. Así
se forma esencialmente un vacío, que se mueve a
través de todo el cristal.
Como la celda fotovoltaica posee un campo eléctrico,
los electrones liberados de los átomos de fósforo
se precipitan hacia los espacios en las capas externas
de los átomos de boro. Este flujo de electrones
es entonces una corriente eléctrica. No todos los
electrones quedan fijos en los espacios producidos por
los átomos de boro; si fuera así, la celda
no funcionaría. En cambio los eletrones se encuentran
en el punto de unión, lo que les dificulta el pasar
al lado positivo de la celda. Eventualmente se llega a
un equilibrio y se obtiene un campo eléctrico separando
las zonas negativa y positiva. Este campo actúa
como un diodo, que permite a los electrones fluir desde
el lado positivo al lado negativo, pero no en sentido
contrario.
Cuando la luz, en forma de fotones, llega a la celda solar,
su energía libera pares electrón-vacío.
Cada fotón con energía suficiente liberará
exactamente un electrón, lo que resultará
en un nuevo espacio. Si esto ocurre lo suficientemente
cerca del campo eléctrico, o si el electrón
libre y el espacio pasan cerca de su área de influencia,
el campo enviará al eletrón al lado negativo
y al espacio al lado positivo. Ésto aumenta el
desequilibrio eléctrico. Ahora bien, si se crea
un paso de corriente externo a la celda, los electrones
fluirán por el hacia su lado original. Se obtiene
entonces una corriente eléctrica, mientras que
con la celda se obtiene voltaje. Con ambas obtenenos energía
eléctrica.
Desafortunadamente, estas celdas sólo absorben
una cuarta parte, cuando mucho, de la energía solar.
Ésto sucede porque la luz del Sol no es monocromática,
o sea que está compuesta de luz de muchos colores.
Dependiendo del color, los fotones tendrán más
energía, o menos. Si tienen poca energía,
al llegar a la celda no liberarán electrones ni
producirán espacios. Si tienen demasiada energía,
sólo la que se necesita para liberar un electrón
será utilizada, y el resto se perderá. Por
lo tanto sólo una parte de la energía de
la luz solar sirve para activar la celda.
Se puede usar un material cuyos átomos requieran
menos energía para liberar electrones, pero el
rango en el que ésto sucede también determina
el voltaje; si el rango es muy bajo, el voltaje también
lo será. Otras pérdidas de energía
ocurren por la resistencia de los materiales por los que
los electrones fluyen, perdiéndose energía
en forma de calor.
Éstas
son las principales razones por las que las celdas fotovoltaicas
no se han transformado aún en la principal fuente
de energía (además de la variación
de la luz solar dependiendo del clima). Aun queda mucho
por investigar y mejorar para obtener la mayor parte de
la electricidad que necesitamos directamente del Sol.
