#CIENCIAIBERO ¿Qué son y cómo funcionan las celdas fotovoltaicas?

Mar, 13 Jun 2017
Estudiantes de la IBERO explican que los paneles solares se convirtieron en un avance tecnológico primordial para el siglo XXI
  • (Imagen: pixabay.com).
Por: 
Daniel Rocha Rojas y Miguel Antonio Morales Rodríguez, alumnos de Ingeniería Física de la Universidad Iberoamericana Ciudad de México.

Las celdas fotovoltaicas, mejor conocidas en agrupación como paneles solares, se encuentran en todos lados el día de hoy: desde calculadoras de precios accesibles hasta en los satélites que orbitan nuestro planeta.

Aunque en el presente parece muy convencional el pensamiento que con la luz solar podemos conseguir energía eléctrica, a principios del siglo pasado esto era algo que causaba mucho conflicto a los físicos y no es hasta que Albert Einstein pudo explicar dicho fenómeno (con la explicación del efecto fotoeléctrico) que esta tecnología empezó a verse como algo posible.

Pero, ¿qué es una celda fotovoltaica? Las celdas fotovoltaicas son celdas que convierten la energía proveniente de sol en energía eléctrica. Estas celdas están formadas normalmente por silicio (Si) con una eficiencia comercial promedio que va desde el 20% hasta el 30%; hoy en día existen celdas con unas eficiencia cercana al 50% pero estas están en un rango de precio sumamente elevado y sólo son usadas en investigación, experimentos o por agencias espaciales como la NASA.

¿Cómo funcionan? La luz de nuestro Sol está compuesta por partículas elementales llamadas fotones, los cuales no tienen masa pero sí tienen propiedades electromagnéticas, y una de éstas es que cuando éstas colisionan con un metal a ciertas frecuencias éstas desprenden uno de los electrones del átomo del metal.
Es tan fácil como decir que el fotón fuese la bola blanca en un juego de billar que al chocar con el triángulo inicial desprende las otras bolas de colores (en este caso los electrones), así transfiriendo su energía cinética.

Liberar un electrón sólo es una parte del proceso de cómo funcionan las celdas fotovoltaicas ya que se requiere mover los electrones de cierta forma para generar una corriente eléctrica. Esto se logra mediante un campo eléctrico el cual es producido por el efecto de dos capas semiconductoras “p” y “n”. A estos semiconductores se les llama semiconductores extrínsecos, y son aquellos a los que se les hace algo que llamamos “dopaje”, esto significa que se le añade impurezas al semiconductor voluntariamente para mejorar su conductividad eléctrica. [1] La capa en la cual chocan los fotones “n”, tiene electrones libres de más, debajo de esta capa se encuentra la capa “p” en la cual hay exceso de huecos, estos huecos son pseudo-partículas que representan un espacio vacío dejado por un electrón y que tienen carga positiva .

Al combinar ambas capas se genera un campo eléctrico el cual no deja a los electrones moverse más que de una manera, generando así una corriente eléctrica la cual puede ser almacenada fácilmente en una batería. ¡De esta manera generamos la corriente eléctrica que queremos a partir de la luz del Sol!

¿Por qué son importantes los semiconductores? Los semiconductores tienen propiedades de metales y no metales y en el caso de algunos, como el silicio, éstos pueden aislar una corriente eléctrica, habilidad que los hace elementales para su uso en celdas fotovoltaicas.
El silicio es uno de los semiconductores más usados para celdas fotovoltaicas, pero además de él también se utilizan los compuestos de semiconductores III-V en el grupo III en los que se encuentran principalmente Al, In y Ga, mientras en el grupo V se encuentran principalmente N, P, As y Sb, teniendo así más de 10 combinaciones posibles de semiconductores.

De esta forma podemos hacer notar que las celdas fotovoltaicas son un avance tecnológico primordial para el siglo XXI, en este se utiliza el concepto de física cuántica de efecto fotoeléctrico para generar energía de una manera sustentable en un mundo que cada vez se enfoca más en la ciencia para crear un mundo sustentable.

Referencias:

[1] Nave, Olmo R. "El Dopado De Semiconductores." HyperPhysics. Web. 23 Oct. 2016.

*Artículo publicado en 'El gato en la caja No.3' (p 10); medio de difusión científica editado en el Departamento de Física y Matemáticas de la IBERO.

Revista en línea:  http://fismat.ibero.mx/drive/news/gato_en_la_caja/revista3.pdf

prl/ICM


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