Energía Solar
Captar energía radiante de la luz solar no es nuevo. La naturaleza ha captado energía solar durante millones de años. Cada hoja en los vegetales es como una celda solar produciendo energía que las mismas plantas y árboles aprovechan vivir, crecer y desarrollarse mediante el proceso fotoquímico conocido como fotosíntesis.
De manera equivalente, las celdas solares fotovoltaicas
transforman la luz solar en energía eléctrica.
Existen básicamente tres tipos de celdas solares:
1. Policristalinas (más deun cristal).
2. Monocristalinas (un solo cristal).
3. Película Delgada.
Celdas Monocristralinas
Las celdas solares Monocristralinas tienen generalmente entre 15%
y 20% de eficiencia para convertir luz solar en electricidad, y son fabricadas a
partir de un solo cristal de silicio del cual se obtienen láminas muy delgadas.
Una membrana metálica es colocada entre las láminas de silicio para formar las
celdas solares.
Las láminas de silicio con membrana metálica se cortan para
obtener formas geométricas cuya superficie frontal queda adherida y cubierta
por vidrio templado para protegerlas, mientras que su lado posterior queda
adherido sobre un sustrato rígido ó flexible de material aislante (resina) que
no absorba calor, porque el calor no puede ser convertido en electricidad y
reduce la eficiencia operativa de las celdas solares. Este conjunto de
componentes queda ensamblado dentro de un marco estructural. Las conexiones
eléctricas se realizan en serie ó paralelas para determinar el voltaje total de
salida.
Al resultado de este ensamblaje se le denomina panel solar. Los
paneles solares se forman mediante conjuntos de celdas solares interconectadas
sobre una superficie orientada hacia el sol para captar luz solar y
transformarla en electricidad. Entre mayor sea esta superficie, mayor será la
cantidad de electricidad producida. Se requiere que los sistemas solares capten
tanta energía como sea posible ocupando la menor superficie en relación con su
peso.
En ocasiones se instalan lentes de aumento (lentes Fresnel) en
cada una de las celdas solares para captar mayor cantidad de energía solar y
reducir la cantidad necesaria de celdas solares para una aplicación específica.
Estos lentes fueron inventados por Augustin Jean Fresnel, y son utilizados también
para aumentar la luminosidad en faros que guían a las embarcaciones en los
océanos.
Celdas Policristalinas
Las celdas solares Policristalinas son en ocasiones más utilizadas
comercialmente pero su eficiencia es menor a la de las celdas Monocristalinas.
Este tipo de celdas son fabricadas a partir de la fundición de lingotes de
silicio que después son enfriados, solidificados y cortados para formar
laminillas muy delgadas.
Este tipo de celda solar puede ser más fácilmente formada en
figuras geométricas cuadradas que ocupan mayor superficie por unidad en el
panel solar comparada con las celdas Monocristalinas, y esto hace que su menor
eficiencia se compense en cierto modo con la mayor superficie que cubren en el
panel solar.
Celdas de Película
Delgada
Las celdas solares de Película Delgada se obtienen a partir de
silicio fundido y transformado en lámina delgada que posee estructura
Policristalina. Estas celdas son aún menos eficientes en la conversión de luz
solar en electricidad pero son económicas porque hay menor merma de material
debido a que durante la fabricación no es necesario cortar en muchas partes la
materia prima.
Uso Práctico
Una sola celda solar fotovoltaica por sí misma no tiene gran uso
práctico porque produce menos de un volt de electricidad. Varias celdas solares interconectadas en serie producen voltaje
utilizable. De tal manera, el voltaje aumenta proporcionalmente. Es decir, diez
celdas solares interconectadas producirían alrededor de 7.5 volts. Veinte
celdas producirían 15 volts y así sucesivamente. Al conjunto celdas solares
interconectadas e incorporadas en el ensamble se le denomina panel solar.
La energía solar que recibe el planeta Tierra equivale
aproximadamente a mil watts (un kilowatt) de electricidad luminosa por metro
cuadrado. Esta energía, antes de entrar en la atmósfera es 20% mayor (1.2
kilowatts). Por esta razón los astronautas se perciben con mayor luminosidad
cuando están en el espacio. De acuerdo con estos datos, un panel solar de un
metro cuadrado cuya eficiencia de conversión sea de 15% proporcionaría
alrededor 0.15 kilowatts mientras reciba energía solar, la cual puede ser
almacenada. Una celda solar puede fabricarse de material mediante el cual sea
posible convertir energía solar en electricidad a través de proceso
Las celdas solares fotovoltaicas son sencillamente dispositivos
semiconductores que en presencia de luz solar son capaces de generar energía
eléctrica utilizable. El semiconductor es un material sólido cuya conductividad
eléctrica puede ser controlada en amplio rango, ya sea de manera permanente ó dinámicamente.
Los semiconductores tienen enorme importancia tecnológica y económica, y son
esenciales en equipos de computación, telefonía y audio digital.
El silicio es el semiconductor más utilizado comercialmente, y existen otros
materiales semiconductores igualmente importantes como el Germanio y el Galio.
Cada una de las modernas celdas solares fotovoltaicas están hechas de una laminilla
muy delgada de cristal de silicio. Las luz solar activa los electrones dentro
de las celdas
solares generando corriente que fluye produciendo electricidad.
Efecto Fotovoltaico
Las propiedades eléctricas dentro de la celda solar fotovoltaica, su
campo eléctrico interior, provee el voltaje necesario que lleva la electricidad
hacia aparatos eléctricos.
Únicamente los fotones que son absorbidos por las celdas solares producen
electricidad, y cuando esto sucede, la energía del fotón es transferida a un
electrón dentro de un átomo en la celda solar que es el semiconductor. Con esta
nueva energía, el electrón puede escapar de su posición normal en ese átomo
para
De este modo, los semiconductores de silicio, aún cuando son
eléctricamente neutrales, se convierten en positivos (“p”) ó negativos (“n”),
ya sea por abundancia de espacios, o exceso de electrones. El exceso de
electrones forma semiconductores negativos (“n”) debido a la carga negativa que
poseen los electrones, y la abundancia de espacios formados cuando electrones
escapan de su posición normal provocan la existencia de semiconductores
positivos (“p”). Entonces el semiconductor “n” posee exceso de electrones y el
“p” abundancia de espacios. De tal manera, al juntar ambos “n” y “p” se genera
el campo eléctrico donde los electrones “n” fluyen hacia “p”, y los espacios
fluyen a “n”. El concepto de
Semiconductores
¿Cómo se fabrican semiconductores positivos “p” y negativos “n”
para hacer funcionar las celdas solares? La forma más común es añadiendo algún
elemento que posea un electrón adicional, ó que carezca de un electrón.
Utilizaremos como ejemplo los cristales de silicio como semiconductor por ser los
más comunes en la fabricación de celdas solares fotovoltaicas, y nos brindan
información para
investigación en otros materiales semiconductores. El silicio (Si)
es un metaloide análogo al carbono que se extrae del sílice, es de color pardo
en estado amorfo, y gris plomo en el cristalizado, posee catorce electrones.
Sólo cuatro de sus electrones más lejanos al núcleo del átomo, proporcionan, aceptan
ó comparten energía con otros átomos.
Los átomos poseen protones (carga positiva), electrones (carga
negativa y neutrones (neutra). Protones y neutrones que son aproximadamente del
negativa).
Los electrones giran alrededor del núcleo a diferentes distancias
cada uno, dependiendo de su nivel de energía, es decir, un electrón con poca
energía gira más cerca del núcleo del átomo, mientras que un electrón con mucha
energía gira más lejos del núcleo. Son los electrones que giran más lejos del
núcleo los que interactúan con átomos vecinos para determinar la forma sólida
del material. Recordemos que sólo cuatro de los electrones más lejanos al
núcleo del átomo de silicio, proporcionan, aceptan ó comparten energía con
otros átomos. estos cuatro electrones tienen gran importancia en la creación
del efecto fotovoltaico, debido a que mediante estos cuatro electrones gran
número de átomos de silicio pueden unirse para formar un cristal sólido de
silicio. Cada átomo de silicio sólido cristalino normalmente comparte uno de
estos cuatro electrones con cada uno de los otros cuatro electrones en átomos
de silicio vecinos. De tal forma, el material sólido cristalino queda compuesto
por unidades con cinco átomos de silicio, un átomo inicial, y cuatro átomos
adicionales con los cuales comparte sus electrones.
En la unidad básica de silicio sólido cristalino, un átomo de
silicio comparte cada unos de sus cuatro electrones más lejanos del núcleo con
cada uno de los cuatro electrones mas lejanos en átomos vecinos. Por tanto, los
cristales de silicio quedan formados en unidades de cinco átomos cada una. Se
introduce un átomo de elemento distinto al cristal de silicio para alterar las
propiedades eléctricas del cristal de silicio.
El elemento que se introduce al cristal de silicio tiene tres ó
cinco electrones disponibles en lugar de cuatro que posee el silicio. Entre los
elementos que pueden ser introducidos están, el fósforo y el boro. Los átomos
de fósforo poseen cinco electrones libres y comparten su quinto electrón libre
para constituir semiconductores negativos “n” por exceso de electrones. Un
átomo de fósforo ocupa en el cristal el sitio que fue ocupado anteriormente por
el átomo de silicio que reemplaza. Los otros cuatro electrones del átomo de
fósforo sustituyen las acciones de los cuatro electrones de silicio que reemplazan.
De este modo su quinto electrón permanece libre para constituir semiconductores
negativos “n”, y cuando varios átomos de fósforo son sustituidos por átomos de
silicio en un cristal, entonces muchos electrones libres están disponibles.
Es decir, sustituyendo un átomo de fósforo con 5 electrones libres
por un átomo de silicio con 4 electrones libres, queda entonces un electrón
libre para moverse alrededor del cristal. La forma comúnmente utilizada para
aplicar átomos de fósforo es aplicando una capa de este elemento sobre la
laminilla de silicio y luego calentar la superficie de la laminilla. Esto
permite que los átomos de fósforo se dispersen en el interior del silicio.
Luego se enfría la laminilla de silicio para detener la difusión de átomos de
fósforo.
Un método para introducir átomos de fósforo en el silicio consiste
en la dispersión de fósforo gaseosa y líquida mediante aspersión, y otra
técnica consister en iones de fósforo que son llevados precisamente hacia
adentro del silicio.
Los átomos de boro poseen tres electrones libres y constituyen
semiconductores positivos “p”, sin los cuales sería imposible formar un campo
eléctrico. El boro es introducido en el silicio durante la formación de las
laminillas de silicio donde el silicio es purificado mediante dispositivos
fotovoltaicos. Cuando un átomo de boro que posee tres electrones libres asume
la posición de un átomo de silicio que
posee cuatro electrones libres, entonces se forma un espacio
adicional debido al electrón que falta (4 electrones de silicio, menos 3
electrones de boro = 1 espacio libre). De tal forma queda un espacio libre que
se mueve alrededor del cristal. Esto genera abundantes espacios libres cuando
hay muchos átomos, y sabemos que la abundancia de espacios permite la
constitución de semiconductores positivos
Así como el silicio, todos los materiales fotovoltaicos deben
tener configuraciones del tipo “n” y “p” para poder crear el campo eléctrico
necesario y característico de las celdas solares fotovoltaicas, y esto puede realizarse
de diversas maneras dependiendo de las características del material en los
semiconductores.
La propiedad principal en los semiconductores consiste en que su
conductividad eléctrica puede ser modificada introduciendo “impurezas”
(fósforo, boro, etc.) en los cristales del elemento puro (silicio). La cantidad
de “impurezas” hace que se alteren los niveles de conductividad en el elemento
puro.
La celda solar ocupa el área donde “p” y “n” se unen. Cuando una
pieza de silicio “n” entra en contacto con una pieza de silicio “p”, se
presenta una difusión de electrones desde la pieza de silicio ”n” que contiene
exceso de electrones, hacia la pieza de silicio “p” que contiene baja
concentración de electrones y abundantes espacios libres. De este modo los
electrones que provienen de la pieza de silicio “n” (carga negativa) se
recombinan en los espacios libres de la pieza de silicio “p” (carga positiva)
para crear el campo eléctrico por desbalance de cargas en la unión “p”-“n”. La
difusión de electrones no se presenta indefinidamente debido a que el
desbalance de cargas en la unión “p”-“n” fija un campo eléctrico que se opone a
una mayor difusión en la unión “p”-“n”.
Este campo eléctrico que se fija entre “p” y “n” forma un diodo
que permite a la corriente eléctrica fluir en una sola dirección a través de la
unión. El diodo es un componente que restringe la dirección de movimiento de la
corriente eléctrica en los portadores de electricidad. Esencialmente, el diodo
permite el flujo de corriente en una dirección y la bloquea en el sentido
opuesto. El diodo puede ser pensado
como la versión electrónica de una válvula de paso. Una vez que
por absorción de un fotón se forma el par electrón-espacio libre, entonces el
par puede alejarse y moverse libremente en la pieza de silicio. En las celdas
solares fotovoltaicas los fotones son absorbidos en “p”, y a mayor cantidad de
fotones absorbidos, mayor también será la cantidad de electrones liberados.
Fabricación
Debido a que las celdas solares son dispositivos semiconductores,
comparten muchas de sus técnicas de fabricación con otros dispositivos
semiconductores como los utilizados en computación y chips de memoria. Si embargo,
los requerimientos de asepsia y control de calidad son un poco menos estrictos en
la fabricación de celdas solares. Delgados conductores metálicos se colocan en
la parte posterior de la celda mediante una pasta metálica generalmente de
aluminio. Una rejilla metálica muy fina se imprime en la parte frontal de la
celda utilizando pasta de plata.
Posteriormente las celdas son interconectadas en serie y/o
paralelo mediante alambres o listones conductores planos y se ensamblan en
módulos denominados panales solares que llevan vidrio templado en su parte frontal
y un encapsulado con polímero en la parte posterior. Algunas celdas solares
tienen textura en su
El siguiente paso para reducir costos en la fabricación de celdas
y paneles solares se encuentra en la tecnología de película delgada que utiliza
sólo uno por ciento de silicio en comparación con las celdas convencionales de
silicio (2006). Esta tecnología de película delgada reduciría significativamente
el costo de electricidad por cada kilowatt hora. Diversos grupos de científicos
alrededor del mundo se encuentran investigando activamente sobre materiales y/o
acercamientos en
Paneles solares experimentales sin utilización de silicio, pueden
ser fabricados de nanotubos de carbón incrustados en plásticos especiales.
Estos paneles poseen sólo una décima parte de la eficiencia de los paneles de
silicio, sin embrago pueden ser fabricados en fabricas convencionales donde no
se requieren altos niveles de asepsia, lo cual disminuye los costos.
Por otra parte, mientras que las celdas solares convencionales pueden
producir electricidad únicamente a partir de la luz solar visible, las celdas
solares experimentales producen electricidad utilizando el espectro infrarrojo,
es decir, sin luz solar visible. Algunos de los elementos químicos más
eficientes en la transformación de luz solar en electricidad son: cadmio,
cobre, indio, galio y selenio.
La celda solar modelo A-300 de la empresa Sun Power Corporation
tiene un tamaño de 125 mm. x 125 mm. y una eficiencia del 20%; está fabricada
de
Por ejemplo, en un hogar donde se utilizan diez mil kilowatts hora
anuales, un sistema solar típico de cuatro kilowatts de corriente alterna
produciría alrededor de 7200 kilowatts hora anuales, suficiente para cubrir el
72% de las necesidades de electricidad en esa casa. Esto es debido a que un
sistema solar de este tipo genera en promedio 1800 kilowatts hora por cada por
cada kilowatts de corriente alterna
Celda Solar Casera
A fin de conocer, explicar y mostrar como funciona una celda
solar, es posible elaborar una celda solar en casa. Las celdas solares en el
mercado han sido fabricadas generalmente de silicio tecnológicamente procesado
a altas temperaturas (400°C a 1400°C) en empresas especializadas donde se
utilizan equipos para formar vacío. En una celda solar elaborada en casa se
utiliza óxido de cobre en lugar de silicio. El óxido de cobre es uno de
primeros materiales que se conocieron por sus propiedades para explicar el efecto
fotoeléctrico (fotovoltaico) donde la luz solar se transforma en electricidad y
fluye a través de un material. Hace años, Albert Einstein, premio Nobel de física,
tratando de explicar el efecto
Procedimiento:
De tal manera, para fabricar esta celda casera se requiere un
pedazo de lámina de cobre de un 1/32 de espesor aprox.; dos cables eléctricos
delgados con conectores en forma de clip; un micro-amperímetro mediante el cual
sea posible leer corriente eléctrica con intensidad entre diez y cincuenta
microamperes; una parrilla eléctrica de 1100 watts para calentar la lámina de
cobre; una botella de plástico vacía con capacidad de dos litros que cortaremos
por mitad para usar todo el diámetro interior de la botella; dos cucharadas de
sal; agua; lija ó cepillo de alambre.
El primer paso sería cortar con tijeras un pedazo de la lámina de
cobre para que sus dimensiones coincidan con la superficie que ocupa la
resistencia eléctrica de la parrilla. Es necesario evitar todo tipo de grasa en
la lámina y tener manos limpias. Habrá que lavar la lámina de cobre con agua y
jabón para quitar rastros de grasa ó aceite. Posteriormente lijamos la lámina
de cobre eliminar rastros de sulfatos u otros elementos corrosivos. Ponemos la
lámina sobre la parrilla encendida fijando el control para temperatura al
máximo. Al calentarse la lámina en su superficie presentará patrones oxidación
en colores, anaranjado, púrpura y rojo. Entre mayor calor absorbe la lámina,
los colores anteriores serán reemplazados por una capa negra de óxido de cobre.
El calentamiento de la lámina debe continuar durante media hora para obtener
mayor espesor en la capa negra de óxido de cobre y de este modo lograr hojuelas
de este óxido. Al llegar a este punto apagamos la parrilla y dejamos que la
lámina se enfríe paulatinamente por sí misma sobre la parrilla. Si
Lo siguiente es aún más
rápido:
Corte otro pedazo de lámina de cobre con las mismas medidas que en
la lámina de cobre anteriormente mencionada. Doble cuidadosamente ambas lámina
en semicírculo para que pueden caber dentro de la botella de plástico sin que
haga contacto una lámina con la otra. La superficie de cada lámina que estuvo
en contacto con la resistencia de la parrilla, quedará en contacto con el
plástico de la botella. Ahora utilizaremos los conectores en forma de clip: un
clip del conector debe sujetar en la botella la lámina de cobre que no fue
calentada, y el otro clip sujetará en la botella la lámina que fue calentada.
Conecte el extremo opuesto del conector que sujeta la lámina no calentada en el
lado para conexión positiva de micro-amperímetro, y el extremo opuesto del
conector que sujeta la lámina calentada en el lado para conexión negativa del
micro-amperímetro. Mezcle las dos cucharadas de sal con un poco de agua hasta
que la sal se disuelva. Vacié esta solución salina (agua salada) en la botella
de plástico sin mojar los clips de los conectores. El agua salada no deberá
cubrir completamente las láminas de cobre. El agua salada debe quedar alrededor
de 2.5 cm. por debajo de cada lámina cobre para evitar que los clips de los
conectores se mojen con esta agua.
Explicación:
El micro-amperímetro en esta celda marcará a la sombra alrededor
de seis micro-amperes, y bajo el sol marcará entre 33 y 50 micro-amperes. La
explicación a esto es sencilla: el óxido de cobre es semiconductor. Y las
características de un semiconductor se encuentran entre aquellas de un material
conductor que permite el flujo de electricidad y las de un material aislante
donde los electrones por
estar sujetos a sus átomos y no pueden fluir libremente. En los
semiconductores existen espacios libres entre electrones que no pueden fluir
libremente y aquellos fluyen libremente y conducen electricidad.
En un semiconductor existen espacios libres entre electrones y
átomos. Los electrones más lejanos en el átomo se mueven libremente y conducen
la electricidad. Los electrones sujetos al átomo deben obtener suficiente
energía para moverse lejos del núcleo del átomo y de los espacios libres. Y los
electrones que
Historia
El desarrollo de tecnología sobre celdas solares comenzó en 1839
con investigaciones del físico Francés Antoine César Becquerel quién observó el
efecto fotovoltaico mientras experimentaba con un electrodo sólido dentro de
una solución electrolítica. De este modo, el físico Francés miró el voltaje
desarrollarse
Nano-Estructuras en
Celdas Solares de Película Delgada
La tecnología de película delgada para fabricar celdas solares es
reciente: Se utiliza en su elaboración un proceso de impresión en la película
delgada cuya eficiencia se enfoca en un menor costo de los ateriales para su
elaboración y en el volumen disponible de electricidad solar por superficie. La
elícula delgada a escala anométrica para este tipo de celdas solares contiene
elementos químicos omo Galio, Selenio, Cobre, Cadmio e Indio. sta película es
el semiconductor que contiene una precisa combinación y sincronización exacta
de los tomos en los elementos que conforman la película. Es decir, se elabora
una tinta que contiene
Fuentes
Ilan Gur, Paul Alivisatos, Michael Geier y Lynn Yarris
(University of Berkeley, California). Sun Power Corporation. Nano Solar
Corporation. Mary Bellis.