COMO PRODUCEN ELECTRICIDAD LAS PLACAS SOLARES
Cómo funcionan los paneles solares (y por qué se están apoderando del mundo)
Una mirada a cómo uno de los inventos más importantes de la historia humana en realidad funciona
La energía solar es crucial para muchos futuros. En el nivel micro, hay una industria solar en auge en Estados Unidos y en todo el mundo. Desde que el Congreso aprobó un crédito fiscal en 2006, la Asociación de la Industria de Energía Solar (SEIA) dice que la industria ha estado promediando una tasa de crecimiento anual del 50 por ciento en la última década. En la mayoría de los campos, eso sería una noticia macro. Pero la energía solar tiene una misión más allá de ganar dinero: se supone que debe salvar el planeta.
No hay ningún plan para evitar que el calentamiento global provocado por el hombre altere permanentemente el clima de la Tierra sin los paneles solares y la energía que pueden convertir. «El papel de las soluciones de energía renovable en la mitigación del cambio climático está probado», dice el Programa de Desarrollo de las Naciones Unidas. Algunos en la industria piensan que la energía solar crecerá 6.500 por ciento como industria en 2050 para mitigar esa necesidad.
Pero a pesar de su importancia, los paneles solares todavía se sienten misteriosos. Rígidos y ligeramente amenazantes rectángulos negros, no tienen ni la apariencia ni la sensación de un salvador. Las majestuosas cascadas y represas se ven heroicas, pero los paneles solares no. Entonces … ¿cómo funcionan de todos modos?
Una breve historia
El trabajo en energía solar comenzó en 1839 , cuando un joven físico francés llamado Edmond Becquerel descubrió lo que ahora se conoce como el efecto fotovoltaico. Becquerel estaba trabajando en el negocio familiar: su padre, Antoine Becquerel, era un conocido científico francés que estaba cada vez más interesado en la electricidad. Edmond estaba interesado en cómo funcionaba la luz, y cuando solo tenía 19 años, sus dos intereses se encontraron: descubrió que la electricidad podía producirse a través de la luz solar.
Pasaron los años y la tecnología dio pasos pequeños pero constantes. Durante la década de 1940, los científicos como María Telkes experimentaron con el uso de sulfatos de sodio para almacenar la energía del sol para crear el sol Casa Dover . Al investigar los semiconductores, el ingeniero Russell Shoemaker Ochs examinó una muestra de silicio rajada y notó que conducía electricidad a pesar de la grieta.
Pero el mayor salto se produjo el 25 de abril de 1954, cuando el químico Calvin Fuller, el físico Gerald Pearson y el ingeniero Daryl Chapin revelaron que habían construido la primera célula solar de silicio práctica.
Al igual que Ochs, el trío trabajó para Bell Labs y había asumido el desafío de crear ese equilibrio antes. Chapin había estado tratando de crear fuentes de energía para teléfonos remotos en desiertos, donde las baterías normales se agotarían. Pearson y Fuller estaban trabajando para controlar las propiedades de los semiconductores, que luego se utilizarían para alimentar computadoras. Conscientes del trabajo de los demás, los tres decidieron colaborar.
Estas primeras células solares fueron «dispositivos básicamente ensamblados a mano», dice Robert Margolis , analista senior de energía en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL).
¿Como funcionan los paneles solares?
Para comprender cómo los paneles solares de silicio producen electricidad, es necesario reducir el nivel atómico. El silicio tiene un número atómico de 14, lo que significa que tiene 14 protones en su centro y 14 electrones que lo rodean. Usando las imágenes clásicas de los círculos atómicos, hay tres círculos que se mueven alrededor del centro. El círculo más interno está lleno con dos electrones, y el círculo central está lleno con ocho. Sin embargo, el círculo más externo, que contiene cuatro electrones, está medio lleno. Eso significa que siempre buscará llenarse con la ayuda de átomos cercanos. Cuando se conectan, forman lo que se llama una estructura cristalina.
Con todos esos electrones extendiéndose y conectándose entre sí, no hay mucho espacio para que se mueva una corriente eléctrica. Es por eso que el silicio que se encuentra en los paneles solares es impuro, mezclado con otro elemento, como el fósforo. El círculo más externo de fósforo tiene cinco electrones. Ese quinto electrón se convierte en lo que se conoce como un «portador libre», capaz de transportar una corriente eléctrica sin mucha presión. Los científicos aumentan la cantidad de portadores gratuitos al agregar impurezas en un proceso llamado dopaje. El resultado es lo que se conoce como silicio de tipo N.
El silicio tipo N es lo que hay en la superficie de un panel solar. Debajo de eso reside su espejo opuesto: silicio tipo P. Mientras que el silicio tipo N tiene un electrón adicional, el tipo P utiliza impurezas de elementos como el galio o el boro, que tienen un electrón menos. Eso crea otro desequilibrio, y cuando la luz del sol golpea el tipo P, los electrones comienzan a moverse para llenar los vacíos entre sí. Un acto de equilibrio que se repite una y otra vez, generando electricidad.
¿Qué constituye un panel solar?
Las células solares están hechas de obleas de silicio. Estos están hechos del elemento silicio, un sólido cristalino duro y quebradizo que es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre después del oxígeno. Si estás en la playa y ves motas negras brillantes en la arena, eso es silicio. Como descubrió Ochs, naturalmente convierte la luz solar en electricidad.
Al igual que otros cristales, se puede cultivar silicio. Los científicos, como los de Bell Labs, cultivan silicio en un tubo como un cristal único y uniforme, desenrollando el tubo y cortando la lámina resultante en lo que se conoce como obleas.
«Visualice un palo redondo», dice Vikram Aggarwal, fundador y CEO de EnergySage , un mercado de comparación de compras para paneles solares. Ese palo se corta como un «pepperoni, un rollo de salami cortado para sándwiches, los afeita muy finamente», dice. Ahí es donde históricamente ha sido muy difícil, ya sea demasiado grueso, un desperdicio o demasiado delgado, lo que los hace poco precisos y propensos a agrietarse «.
Intentan que estas obleas sean lo más delgadas posible, para obtener el mayor valor posible de su cristal. Este tipo de célula solar está hecha de silicio monocristalino.
Si bien las primeras células solares se parecen a las células de hoy en términos de apariencia, hay una serie de diferencias. De vuelta en Bell Labs, la esperanza inicial era que las células solares fueran buenas para la próxima carrera espacial, dice Margolis, por lo que había una ventaja en mantener el peso bajo. Las células fotovoltaicas, como se las conoció, se colocaron en un encapsulado liviano.
Y funcionó. Apenas cuatro años después del desarrollo de la primera célula solar en funcionamiento, el 17 de marzo de 1958, el Laboratorio de Investigación Naval construyó y lanzó Vanguard 1 , el primer satélite del mundo alimentado por energía solar.
Paneles solares hoy
Hoy en día, las células fotovoltaicas son producidas en masa y cortadas por láser con mayor precisión de lo que cualquier científico de Bell Labs podría haber imaginado. Mientras se usan en el espacio, han encontrado mucho más propósito y valor en la Tierra. Entonces, en lugar de poner énfasis en el peso, los fabricantes solares ahora ponen énfasis en la resistencia y durabilidad. Adiós encapsulado liviano, hola vidrio que puede soportar el clima.
Uno de los principales enfoques en cualquier fabricante solar es la eficiencia: la cantidad de luz solar que cae sobre cada metro cuadrado del panel solar puede convertirse en electricidad. Es «un problema matemático básico» que se encuentra en el centro de toda la producción solar, dice Aggarwal. Aquí, la eficiencia significa la cantidad de luz solar que se puede convertir adecuadamente a través del silicio tipo P y N.
«Digamos que tienes 100 pies cuadrados disponibles en tu techo», dice en una hipótesis. «En este espacio limitado, si los paneles son 10 por ciento eficientes, es menos del 20 por ciento. La eficiencia significa cuántos electrones pueden producir por pulgada cuadrada de obleas de silicio. Cuanto más eficientes son, más económicos pueden entregar».
Hace alrededor de una década, dice Margolis, la eficiencia solar rondaba el 13 por ciento. En 2019, la eficiencia solar aumentó al 20 por ciento. Hay una clara tendencia al alza, pero una que dice que Margolis tiene un límite con el silicio.
Debido a la naturaleza del silicio como elemento, los paneles solares tienen un límite superior del 29 por ciento. ¿Entonces, dónde vamos desde aquí?
El futuro de la energía solar
Algunos científicos están trabajando en el uso de nuevos materiales. Hay un mineral conocido como perovskita que Aggarwal describe como «muy emocionante». Descubierta por primera vez en los Montes Urales, en el oeste de Rusia, la perovskita ha sorprendido en las pruebas, desde un 10 por ciento de eficiencia en 2012 hasta un 20 por ciento en 2014. Se puede fabricar artificialmente con metales industriales comunes, lo que hace que sea más fácil de encontrar y utiliza proceso que la danza de equilibrio de silicio tipo P y N para conducir electricidad.
Pero tanto Aggarwal como Margolis advierten que la tecnología aún está en sus primeras fases. «La eficiencia en el laboratorio ha aumentado rápidamente, pero hay una diferencia entre el laboratorio y el mundo real», dice Margolis. Si bien la perovskita ha mostrado un gran progreso en entornos limpios, ha mostrado una disminución rápida cuando se le presenta elementos como el agua, que podría encontrar en el uso diario.
En lugar de nuevos materiales, Margolis y su equipo están trabajando en un concepto que él llama «solar plus». A medida que aumenta el uso de energía solar, existe la posibilidad de mejorar la forma en que «la energía solar interactúa con otros edificios en su conjunto», dice.
Así que imagina que es un verano brutalmente caluroso en la ciudad. Vas a una oficina por trabajo y luego vuelves a casa por la noche. Hace calor y humedad, así que enciendes el aire acondicionado, y también lo hace cualquier otra persona en la ciudad. La red eléctrica se tensa.
