Traducido por Enrique García-García

Enrique García-García, Yahya Moubarak Meziani, Jesús Enrique Velázquez-Pérez y Jaime Calvo-Gallego

Esta matriz de células solares situada en el Nellis Air Force Base, Nevada, Estados Unidos, es capaz de generar 15 MW de origen solar para su uso en la base militar Imagen cortesía de US Air Force photo / Airman 1st Class Nadine Y Barclay; Fuente: Wikimedia Commons

A medida que las reservas de petróleo se agotan las células solares se presentan como una fuente de energía alternativa. ¿Cómo funcionan? y, ¿cómo podemos aprovechar todo su potencial? Aunque sea de forma indirecta, el Sol es el origen de la mayoría de las fuentes de energía que utilizamos en la Tierra. No sólo los derivados del petróleo o la biomasa, si no también el viento, por mencionar algunas. El uso de células solares permite capturar la energía solar de forma directa.

El Sol es una estrella de tamaño medio, relativamente antigua, compuesta de plasma caliente. Éste radia energía electromagnética sobre un gran rango espectral. Situado a una distancia de 150 millones de kilómetros, nuestro planeta recibe una irradiancia de 1366 W/m² (1 W= 1 J·s) del Sol, pero no toda alcanza la superficie terrestre puesto que la atmósfera absorbe y refleja un 30% de esta densidad de potencia. Aún así, cada metro cuadrado de la superficie terrestre recibe una media del orden de 1000 J/s del Sol.

Con el fin de entender este resultado de una forma completa, merece la pena destacar que el consumo total de energía en el 2010 fue de 5 x 10²⁰ J. La Tierra recibe 1.8 x 10¹⁷ J/s, de los cuales 1.3 x 10¹⁷ J/s llegan a la superficie, si asumimos que nuestro planeta es una esfera perfecta de 6370 km. Por lo tanto, en tan sólo una hora recibimos la misma cantidad de energía que consumimos a lo largo de un año.

Por desgracia esto no es tan sencillo. Debido a factores meteorológicos, la declinación solar y la rotación terrestre, la irradiancia media por metro cuadrado es de o 230 W/m². Si repetimos el cálculo anterior con estos datos, el tiempo necesario para abastecer el consumo energético anual aumenta hasta las cinco horas y media – todavía es muy poco tiempo.

De este simple razonamiento se concluye que la energía solar es una reserva prometedora, pero ¿cómo podemos recolectarla y utilizarla?

¿Qué sucede en el interior de una célula fotovoltaica?

El fenómeno fotovoltaico es la base del funcionamiento de las células solares contemporáneas. Éste fue descubierto por el físico francés Edmond Becquerel en 1839, cuando observó que la conductividad de algunos materiales aumentaba cuando éste era expuesto a la luz solar. La explicación del fenómeno tuvo que esperar hasta el siguiente siglo con el desarrollo de la mecánica cuántica. La radiación electromagnética se puede explicar como un chorro de objetos cuánticos llamados fotones. Cuando los fotones son absorbidos en el material pueden provocar la promoción de electrones a un estado de mayor energía (banda de conducción), potencialmente realzando la conductividad del material.

Semiconductores como el silicio son materiales fotovoltaicos porque la energía asociada a los fotones del visible es del mismo orden que la necesaria para promover un electrón a la banda de conducción. Sin embargo, los semiconductores tienen pocos electrones libres y, por lo tanto, baja conductividad. Para incrementarla se añade pequeñas porciones de otros materiales, impurezas, en un proceso llamado dopado.

El silicio dopado es el material más utilizado en electrónica. El silicio puro cuenta con cuatro electrones de valencia que comparte con los átomos vecinos. Al añadir impurezas con más o menos electrones de valencia (como el fósforo o el boro), se modifican las propiedades conductoras del anfitrión. El fósforo tiene cinco electrones de valencia, de modo que cuando un átomo está rodeado por átomos de silicio, el quinto electrón permanece débilmente ligado. Esto indica que podrá alcanzar la banda de conducción más fácilmente, aumentando la conductividad del silicio. A el silicio dopado con fósforo se le llama tipo-n (tipo negativo) puesto que el dopaje aumenta el numero de cargas negativas (electrones) libres. Por el contrario, el boro sólo tiene tres electrones de valencia. La falta de un electrón en la red del silicio crea un “hueco”. Como los electrones serán capaces de moverse de un hueco a otro, la conductividad del material se ve incrementada. Al dopaje con boro se le llama tipo-p (tipo positivo).

Este fenómeno se usa en las células solares para recolectar la energía procedente del Sol y transformarla en energía eléctrica. La célula solar elemental está formada por la unión de dos semiconductores con dopajes complementarios, formando la llamada unión p-n. En una región en torno a la unión los electrones del dopaje tipo-n perciben los huecos del lado dopado tipo-p y viajan para llenarlos – formando el llamado par electrón-hueco. Cuando un fotón golpea uno de esos pares capaz de separar los componentes del par liberando ambas cargas y generando una corriente eléctrica, cuando hay una carga externa conectada.

No todos los portadores generados por este proceso contribuyen a la corriente. Una gran porción se recombina generando calor. Esto reduce la eficiencia de conversión de la célula solar (definida como el porcentaje de la energía solar recibida que se convierte en energía eléctrica). Éste parámetro es uno de los más importantes en cuanto a calidad de la célula solar. Células solares de silicio actualmente comerciales tienen una eficiencia del orden del 20%, por lo que todavía se pueden hacer extensos esfuerzos de cara e mejorar este valor.

Energía fotovoltaica en la práctica

Ahora tenemos una idea de qué sucede en el interior de una célula solar, pero ¿hasta qué punto son prácticas para capturar la energía del Sol?. Un módulo de células solares tiene una superficie aproximada de 1.3 m2 y consiste en una matriz de unas 50 células individuales. Un módulo es capaz de entregar unos 200 W (dependiendo de la tecnología) así que un montaje con cinco módulos entregaría una potencia suficiente para cubrir las necesidades medias de una casa (cerca de 1 kW). Sobre el papel la demanda energética europea sería satisfecha con tan sólo cubrir el 1 % de la superficie con células solares. Sin embargo, las células solares sólo se podrán utilizar para cubrir parte de nuestra demanda energética. En el 2010 cerca del 1 % de energía producida en Europa tuvo origen fotovoltaico. Las estimaciones optimistas afirman que Europa podría generar del 30 al 50 % de energía de este modo. No se pueden realizar estimaciones más precisas, puesto que es una tecnología en continuo desarrollo.

Base telefónica móvil alimentada por energía fotovoltaica Imagen cortesía de Aomorikuma; Fuente: Wikimedia Commons

Una de las limitaciones de la energía solar es que la cantidad de energía producida es fuertemente dependiente de las condiciones ambientales, como el tiempo, el ángulo que forma el sol con la superficie normal del dispositivo, la suciedad depositada sobre la superficie y, por supuesto, la noche. Las llamadas redes inteligentes son un modelo de instalación en el cual otras fuentes de energía -térmica, plantas nucleares...- se suman a la solar para abastecer la demanda que no puedan generar las células solares en tiempo real. En este marco de explotación energética las células solares están jugando un papel fundamental.

Representación artística de la Estación Internacional Espacial, la cual cuenta con una superficie de paneles solares similar a un campo de fútbol, capaces de generar la impresionante cantidad de 92 kW Imagen cortesía de ESA / D Ducros

La mayor aplicabilidad de las células solares es en pequeñas instalaciones, donde la energía es producida in-situ -en casas particulares, en teléfonos de carretera, plantas industriales, barcos, coches e incluso en la Estación Espacial Internacionalw1. De modo que aunque estamos muy lejos de abastecer la demanda energética global en cinco horas solares, la energía solar se afianza como una fuente de energía segura. La próxima vez que enciendas la caldera o el televisor, piensa que el sol ha ayudad para alimentarlo.

Células solares Orgánicas Los paneles fotovoltaicos basados en semiconductores – como los descritos en este artículo- son relativamente caros de producir y procesar. Las células solares producidas con materiales orgánicos se presentan como una alternativa. Éstas permiten la deposición de paneles de grandes extensiones sobre substratos flexibles como si se tratase de una impresora de inyección. Sin embargo, a día de hoy no son competitivas con las células convencionales por cuestiones de eficiencia.

La mayoría de los dispositivos fotovoltaicos orgánicos están basados en láminas delgadas de un componente aceptor de electrones (como derivados del fullereno, actuando como un semiconductor tipo-p) y un donante de electrones (usualmente un polímero, jugando el papel de un semiconductor tipo-n), situados entre dos electrodos. Uno requisito básico para unir ambos elementos es que formen una red continua de caminos de donores y aceptores para que los portadores (electrones o huecos) alcancen el electrodo. La espectroscopia en rayos-X, como la realizada en las Instalaciones Europeas de Radiación Sincrotrónica (ESRF) permiten analizar la red atómica de forma precisa con el fin de mejorar el diseño/producción.

Esta lámina de plástico está formada de una red continua de donores (marrón claro) mezclada con una de aceptores (marrón oscuro), la cual permite la transferencia de carga entre ambos electrodos (bandas gris y magenta en la superficie y la base, respectivamente)
Imagen cortesía de ESRF

Para aprender más, visita la página web del ESRF^w2.

ESRF es un miembro del foro EIROforum^w3, los publicadores de Science in School.

Recursos en la red

w1 – Para aprender más de cómo se utiliza la energía solar en el espacio descarga el libro European Space Agency’s booklet Satellite Power Systems: Solar Energy Used in Space.

w2 – Situado en Grenoble, Francia, ESRF es la fuente de radiación sincrotrónica más potente de Europa.

Encuentra más información acerca de las células solares orgánicas en ESRF.

w3 – EIROforum es una colaboración inter-goburnamental entre ocho de las organizaciones de investigación, las cuales combinan sus recursos, instalaciones y experiencia para permitir un gran avance científico en Europa. Como parte de sus actividades, EIROforum publica la revista Science in School.

Recursos

Para aprender más de cómo la energía solar es absorbida por la atmósfera, visita:

Shallcross D, Harrison T (2008) Modelizado del Cambio Climático en el aula. Science in School 9. www.scienceinschool.org/2008/issue9/climate/spanish

Para aprender cómo construir tu propia célula solar, visita:

Shallcross D, Harrison T, Henshaw S, Sellou L (2009) Observando los cielos: experimentos sobre el cambio climático. Science in School 12. www.scienceinschool.org/2009/issue12/climate/spanish

Tatalovic M (2010) Coches solares: ¿el futuro del transporte por carretera? Science in School 16. www.scienceinschool.org/2010/issue16/solarcars/spanish

La Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica tiene una página web con una serie de preguntas y respuestas frecuentes sobre materiales fotovoltaicos.

La universidad del Nueva Gales del Sur, Australia, ha generado un libro electrónico de materiales fotovoltaicos.

La página web del Departamento de Energía de Estados Unidos Laboratorio Nacional de Energía Renovable cuenta con información acerca de las energías fotovoltaica y solar.

El proyecto EU-MENA investiga el uso del desierto en Oriente Próximo y el norte de África, para generar energía en esa región y también para Europa.

Si has encontrado este artículo interesante, quizá disfrutes de otros artículos en la sección de energía de Science in School.

Los cuatro autores trabajan para la Universidad de Salamanca en España.

Enrique García-García es licenciado en Física y cuenta con un máster en Física y Tecnología de los Láseres. Sus líneas de investigación incluyen la caracterización eléctrica de células solares y las ondas electromagnéticas en el rango de terahercios (radiación de terahercios).

Dr Yahya Moubarak Meziani es doctor en Física de Semiconductores por la Universidad Montpellier 2, Montpellier Francia. Desde el 2008 lidera un grupo de investigación en radiación de terahercios en la Universidad de Salamanca.

El profesor Jesús Enrique Velázquez-Pérez es doctor por la Universidad Paris-Sud, París, Francia, en la simulación y desarrollo de componentes electrónicos de alta frecuencia. Se ha establecido en la Universidad de Salamanca desde los principios de los años 90n.

Las líneas de investigación del Dr Jaime Calvo-Gallego incluyen la simulación de dispositivos electrónicos y el transporte de calor en dispositivos de terahercios.

Reseña

El uso de la energía solar es un tópico que se ha ido extendiendo por distintos países a lo largo del mundo, especialmente desde el aumento de los peligros asociados al cambio climático y el agotamiento de las fuentes energéticas no renovables. Los países son cada vez más conscientes de la necesidad de reducir su dependencia en energías no renovables y, al mismo tiempo, de adoptar medidas políticas para favorecer a las energías renovables.

Este artículo muestra un buen ejemplo de cómo los semiconductores se utilizan en las células fotovoltaicas y da una idea general de cuánta energía solar es recolectada por estos dispositivos. Los conceptos que abarca este artículo, principalmente, son el efecto fotoeléctrico, conductores, aislantes, semiconductores intrínsecos y extrínsecos, teoría de bandas y corrientes eléctricas.

Preguntas de comprensión podrían incluir:

1. El Sol es una fuente muy potente de energía renovable. ¿Por qué la energía solar producida es tan sólo una pequeña fracción de la energía total consumida en un año?
2. Explica por qué se utilizan semiconductores como el silicio para la fabricación de células solares.
3. La conductividad de un material se puede ver incrementada al doparlo. Explica cómo el proceso de dopaje genera semiconductores tipo-n y tipo-p.
4. ¿Cómo captan la energía solar los semiconductores utilizados en células solares?
5. ¿Cuán eficiente son las células solares? y, respecto a la energía generada en Europa, ¿cuánta es de origen fotovoltaico?
6. ¿Qué factores limitan la eficiencia en la recolección de energía solar?

Este artículo es ideal para asociar tópicos de energías renovables (como la solar) con problemas medioambientales. El impacto del uso de la energía fotovoltaica y concentradores solares ha sido ampliamente documentado. Sin embargo, también podríamos involucrar a los estudiantes para que investiguen los efectos de estos dispositivos en el futuro de nuestro planeta. ¿Qué materiales se utilizan para construir concentradores, paneles y células fotovoltaicas?, ¿el fabricado es dañino para el medio ambiente en alguna manera?, ¿cuál es la esperanza de vida de este equipamiento y cómo se recicla al terminar su vida útil?, ¿se fabrican con materiales no renovables?, en caso afirmativo, ¿cuánto duran esos materiales? Considerando la eficiencia de estos dispositivos, ¿su construcción y mantenimiento es económicamente viable?

Catherine Cutajar, Malta

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Recomendaciones de la reseñadora: Química, Energía Solar, Células Fotovoltaicas, Conductividad, fuentes de energías Renovables y ciencia del Medo Ambiente Edades 13+