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PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS PANELES SOLARES

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Tal vez alguna vez haya visto algún panel solar o tenga instalado en su techo, pero  cual es el principio de funcionamiento de los paneles solares ?

La energía solar es la única fuente de energía externa que tenemos en la tierra. Todo lo que crece, florece y vive proviene indirectamente del sol, incluso los combustibles fósiles no son más que restos vegetales almacenados que solo podrían haber crecido con el calor y la luz del sol. 



En resumen, ¡la energía solar es la forma más directa de energía que tenemos en la tierra! ¿Sabías que cada hora cae más luz solar sobre la tierra que la que necesitamos energía en un año?

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS PANELES SOLARES

 El truco es convertir esta energía de la luz solar a través de paneles solares en una forma más utilizable, como la electricidad. Existen diferentes formas de convertir la energía del sol que distinguimos en foto térmica y fotovoltaica:

  • En las técnicas de foto térmica , la luz solar se utiliza para calentar un líquido. Esto se puede hacer, por ejemplo, con la ayuda de paneles de calor para crear agua caliente para el hogar. Pero también hay grandes parques solares donde los espejos apuntan a una torre central llena de agua. Aquí se genera vapor para impulsar posteriormente una turbina, al igual que en una planta de combustible fósil.
  • Los paneles solares estándar se basan en el efecto fotovoltaico . También llamamos a estos paneles fotovoltaicos (fotovoltaicos). Los fotones de luz que caen en el panel crean una diferencia de voltaje con la cual se genera la electricidad.



¿Quien fue el creador de los paneles solares?

 El primer panel fue construido en 1883 por el estadounidense Charles Fritts. Y aunque mucho ha cambiado en términos de tecnología, el principio de funcionamiento de un panel fotovoltaico permanece sin cambios. Después de leer este artículo del blog, ¡usted sabe todo sobre los principios básicos de los paneles fotovoltaicos!

Los semiconductores y el efecto fotovoltaico.

Para la producción de paneles fotovoltaicos, necesitamos materiales con propiedades específicas para conducir electricidad. 

La electricidad y la conducción no son más que movimientos de partículas cargadas, electrones. Los metales son buenos conductores de la electricidad porque los electrones pueden moverse libremente a través del material. 



En la mayoría de los no metales, los electrones están unidos al átomo, que luego no puede moverse libremente a través del material. Estos materiales no conducen la electricidad y también los llamamos aislantes.

Necesitamos los llamados semiconductores para paneles solares. Estos materiales normalmente conducen poca o ninguna electricidad, pero debido a que se pueden crear ciertos electrones sin energía, estos ‘saltos’ se separan de la red atómica. 

Luego decimos que un electrón salta de la banda de valencia a la banda de conducción. Un electrón que se encuentra en la banda de conducción puede moverse libremente a través del material. 

La energía necesaria para hacer que un electrón salte de la banda de valencia a la banda de conducción se denomina “intervalo de banda”. El motivo de la existencia de este intervalo de banda radica en la mecánica cuántica y lo dejamos de lado aquí. 

Si un electrón cargado negativamente se desprende del átomo, deja un “agujero de electrones” cargado positivamente.

 

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Figuur 2: Representación esquemática de un metal y un semiconductor.

En un panel solar, esta energía es suministrada por una partícula de luz, también llamada fotón. Este fotón es absorbido por el material, el electrón cargado negativamente se separa de la red del material y ahora puede moverse libremente a través del material. 

Lo que queda detrás es una partícula cargada positivamente, también llamada “agujero”. Así que ahora se ha creado un par de agujeros de electrones que ambos pueden moverse libremente a través del material.

 

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Figura 3: ilustración de la generación de un par de orificios de electrones por la absorción de una partícula de luz (fotón). Se libera un electrón y ‘salta’ de la banda de valencia a la banda de conducción.

Unión PN para crear una diferencia de voltaje

El desprendimiento de electrones libres y agujeros de electrones libres no crea en sí mismo una diferencia en la tensión.

 Primero se deben separar estas partículas cargadas. Esto se hace creando artificialmente dos tipos diferentes de semiconductores y colocándolos uno encima del otro. Aquí hablamos de un semiconductor de tipo p y de tipo n.

En un semiconductor de tipo n, durante la producción, se agregan átomos que tienen un electrón libre disponible y se lo dan al material. 

Al agregar átomos de fósforo al silicio, se libera un electrón, dejando un átomo de fósforo cargado positivamente. Este átomo de fósforo está atascado en la rejilla, y por lo tanto no puede moverse en contraste con el electrón liberado. A esto lo llamamos dopaje. 

Ahora hay más electrones libremente movibles que agujeros. Esto también se puede hacer al revés, agregando un átomo dopante tipo p que absorbe un electrón. Entonces hay más agujeros de electrones libremente movibles, o partículas cargadas positivamente. El boro se utiliza a menudo para esto en la práctica.

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Figura 4: a la izquierda, un material dopado con fósforo (n-dopado) con electrones libres cargados negativamente y átomos de P cargados positivamente en la cuadrícula. 

A la derecha, un material dopado con boro (p-dopado) con agujeros libres cargados positivamente y átomos B cargados negativamente en la red.

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Figura 5: representación esquemática de material de tipo n y material de tipo p.

Ahora hay dos fuerzas que son importantes:

  • Difusión: debido a que la densidad de los electrones (o agujeros) en un lado es muchas veces más baja que en el otro lado, existe una fuerza impulsora para fluir de un lado al otro. Esto se puede comparar con dos recipientes conectados con líquido o gas, que siempre fluyen hacia afuera hasta que la presión en ambos lados es igual.
  • Desviación: esta es la potencia de un voltaje eléctrico causado por las partículas cargadas en la red. Los átomos sólidos cargados positivamente en la rejilla repelen los electrones cargados negativamente, y viceversa.

La difusión y la desviación son lo opuesto, y con un panel solar en la oscuridad, estas desviaciones y difusión están en equilibrio entre sí. Así que aún no se genera electricidad. 



En el momento en que se ilumina el panel, se forman nuevos electrones y agujeros en todo el material, de modo que la tensión eléctrica  es mayor que la difusión. 

Como resultado, los electrones son atraídos hacia el lado de tipo n, mientras que los agujeros son empujados hacia el lado de tipo p. Esto resulta en una diferencia de voltaje y con eso el panel solar se ha convertido en una fuente de voltaje. 

En el tipo p conectamos el polo positivo y en el tipo n el polo negativo. Ahora tenemos un circuito eléctrico en el que los electrones fluyen de menos a más. Y ahí tenemos nuestro panel solar!