La ciencia detrás de la generación de electricidad a partir de la luz
Nuestro planeta es alcanzado cada segundo por ingentes cantidades de energía procedente del Sol. En las capas más externas de la atmósfera se pueden medir alrededor de 1366W/m² en forma de radiación electromagnética de amplio espectro. Cuando esta energía alcanza la superficie terrestre, ha perdido al menos una cuarta parte de su potencia (principalmente rayos ultravioletas e infrarrojos que son absorbidos por los gases de la atmósfera). Por lo tanto, en condiciones normales sobre el nivel del mar, podríamos obtener 1000 W/m².
Esta energía lleva siendo utilizada por el ser humano durante milenios mediante diferentes técnicas que han ido evolucionando para adaptarse a nuestras necesidades. Cabe mencionar la existencia de dos tecnologías que nos permiten hacer uso de la energía del sol hoy en día:
- Solar térmica: su objetivo es la producción de calor, que puede ser utilizado para distintos fines como cocinar alimentos, producir agua caliente para uso doméstico, calefacción, etc.
- Termoeléctrica: supone un paso más en el desarrollo de la solar térmica, ya que emplea el calor para evaporar un fluido a alta presión que es capaz de mover turbinas y generar electricidad. De esta manera, la energía puede ser consumida en puntos mucho más distantes de la fuente de generación.
Sin embargo, el objetivo de este post es analizar otra tecnología, una mucho más versátil que permite aprovechar la radiación solar con una eficiencia y rentabilidad nunca vistas. Se trata de la solar fotovoltaica, una técnica que transforma la energía del sol directamente en electricidad. Pero ¿Cómo funciona y por qué se está popularizando tan rápidamente?
Fundamentos físicos.
El principio que explica la conversión de luz a electricidad es el efecto fotoeléctrico, un proceso cuya descripción matemática hizo ganar a Albert Einstein su único Premio Nobel. Este efecto consiste en la emisión de electrones de las capas más superficiales de un material cuando incide sobre ellas radiación electromagnética. Cuando un fotón lumínico se encuentra con un electrón de un átomo del material, es posible que el electrón acabe en un estado lo suficientemente energizado como para saltar a la banda de conductividad, es decir, que se libera del átomo al que estaba ligado y puede circular “libremente”.
Hay una familia de elementos que facilita muchísimo este proceso: los semiconductores. Utilizando estos materiales es posible aumentar la ratio de electrones impulsados, y combinándolos de la manera correcta se genera la unión P-N, la estructura básica de los componentes electrónicos y de las células fotovoltaicas.
Células fotovoltaicas.
Son las piezas básicas que componen los módulos fotovoltaicos. Su estructura interna está diseñada para aprovechar el salto de electrones que se produce por el efecto fotoeléctrico, generando una diferencia de potencial. Para comprender su funcionamiento un poco mejor, debemos conocer las distintas capas que tiene y sus propiedades:
- La capa superior (la que estará expuesta al sol) se fabrica a partir de silicio dopado de tipo n. Es decir que entre los átomos de silicio (4 electrones de valencia) se pueden encontrar átomos de otro material como el fósforo (5 electrones de valencia), lo que otorga a todo el conjunto un exceso de electrones libres, de ahí el nombre del dopaje n, negativo.
- Para la capa inferior se emplea silicio con dopaje de tipo p. En esta ocasión los átomos que podremos encontrar entre el silicio serían como el boro (3 electrones de valencia), esto supone que el conjunto tenga exceso de huecos, o dicho de otra forma, falta de electrones, y por lo tanto sea del tipo p, positivo.
Al unir ambos materiales obtenemos una unión p-n, donde hay una capa que tiende a ceder electrones y otra capa que tiende a captarlos. Si a eso le sumamos una carga y un cableado, construimos un circuito eléctrico de corriente continua, cuyo voltaje dependerá del número de fotones que incidan sobre el material.
Si te interesa conocer más a fondo el funcionamiento de esta tecnología, desde IDES te recomendamos que veas este vídeo, donde Rubén Lijó y Javier Santaolalla explican el fenómeno más detalladamente.
Por:
Jonathan Gómez Rincón
Graduado en Ingeniería Electrónica Industrial y Automática
por la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria