(Clase II)

Celda solar fotovoltaica 

   Gracias al descubrimiento del «efecto fotoeléctrico» en 1838 se comenzaron a desarrollar dispositivos de generación de energía eléctrica como una alternativa a las fuentes de generación de la época, fue así como cinco décadas después, en el año 1889 se creó la que es considerada la primera celda solar de la historia. Charles Fritts inventor norteamericano fue el creador de la primera celda solar, esta estaba compuesta por selenio y dos placas, una de oro y metal (latón). Al introducir la celda dentro de una caja de vidrio y recibir luz (radiación electromagnética), el selenio producía una corriente eléctrica que era dirigida por medio de un conductor. La celda solar de Fritts causó una gran revolución para la energía solar fotovoltaica en esos años sin embargo debido la baja eficiencia de generación (cerca del 1%) de su prototipo y el alto costo de fabricación no permitieron que fuera competitivo en comparación con otras alternativas de generación eléctrica de la época.

   En el año 1954 en los establecimientos de laboratorios Bell se desarrollaría la primera celda solar fotovoltaica funcional con un 4% de eficiencia, esta celda fue desarrollada por Gerald Pearson, Daryl Chapin y Calvin Souther Fullery. Desde este momento el desarrollo de la celda solar sería de manera exponencial. Herman Leslie Hoffman fundador de Hoffman Electronics Corporations, inspirado en la tecnología se concentró en la mejora de la eficiencia de esta, fue así como en el año1957 logró crear una celda solar que llegó hasta un 10% de eficiencia, a pesar de lograr obtener resultados del doble de eficiencia, para el año 1960 incrementaría hasta el 14%. La tecnología alcanzaría hasta un 20% de eficiencia gracias a los investigadores de la Universidad de Nuevo Gales del Sur, en Australia.

   Las celdas solares fotovoltaicas más eficientes que se fabrican en la actualidad están compuesta en su mayor parte por silicio, un material semiconductor, uno de los elementos más abundantes de todo el planeta lo que ha permitido que los costos sean más accesibles para aplicaciones residenciales. La celda solar promedio tiene unos 15 cm de alto por unos 15 cm de ancho y son muy delgadas, menor a un milímetro, con una producción de unos 5 a 7 Wp.

   El silicio es un elemento semiconductor que en su capa de valencia tiene 4 electrones los cuales están enlazados de manera sólida a su núcleo, lo cual lo convierte en un material semiconductor y la temperatura lo puede transformar en aislante o conductor. Esta condición de semiconductor dificulta la generación de efecto fotoeléctrico.

   Si se creara una celda solar con silicio puro la eficiencia sería muy baja debido al enlace molecular del silicio, para mejorar la eficiencia las celdas se crean dos tipos de delgadas láminas de silicio las cuales son «dopadas» con pequeñas porciones de elementos conductores para crear láminas de semiconductores tipo N y elementos aislantes para láminas de semiconductores tipo P. Las láminas de  semiconductores de tipo N son «dopados» con fósforo elemento con 5 electrones en su capa de Valencia, lo cual deja electrones «libres» en la estructura molecular, así se facilita el efecto fotoeléctrico en la «ruptura» de los enlaces del semiconductor.

   Las láminas de semiconductores de tipo P son «dopados» con boro, elemento que en su última capa de Valencia dispone de 3 electrones, lo cual genera «espacios» en la estructura de este material.

   Las celdas solares fotovoltaicas son «obleas»  resultado de la unión (cara a cara) de dos lámina de silicio una lámina de silicio del tipo N y una lámina de silicio del tipo P, la diferencia de cargas eléctricas de estos dos materiales hace que se genere una diferencia de potencial en la de contacto de las láminas, la cual es denominada «zona de agotamiento».

    Al recibir radiación solar los electrones libre del material tipo N son repelidos de la zona de agotamiento, al mismo tiempo los espacios libres en el material tipo P también se alejan de esta zona. A las celdas se les incorporan «fingers» y «bussbar» para generar dos «caminos», uno por el cual se desplazaran las cargas positivas, las que derivarán en  un terminal positivo y otro por el que se desplazaran las cargas negativas que derivarán en un terminal positivo.

    Al medir la diferencia de potencial con un voltímetro de los terminales positivo y negativos este instrumento registrará un voltaje, si se cierra el circuito de la celda conectando una carga a sus terminales este generará una corriente eléctrica.

   Es de esta manera como las celdas solares logran transformar la energía de la radiación solar (radiación electromagnética) en energía eléctrica. La lámina con el material tipo P es más gruesa que la lámina de material tipo N, esto permite a los rayos solares llegar más fácilmente a la zona de agotamiento, a la vez que aumenta la diferencia de potencial en esta zona, así la celda solar mejora su eficiencia! Los fabricantes de celdas solare siguen trabajando día a día para mejorar la eficiencia de generación eléctrica, actualmente podemos encontrar paneles solares en el mercado con una eficiencia cercana al 24%.