El efecto fotovoltaico es un fenómeno fundamental en la conversión de energía solar en electricidad. Se caracteriza por la generación de una corriente eléctrica cuando dos materiales diferentes están en contacto y expuestos a la luz o radiación electromagnética.
Este efecto se activa principalmente por la luz solar, aunque puede ser desencadenado por fuentes de luz natural o artificial. No obstante, en la práctica, la gran mayoría de los paneles fotovoltaicos emplean exclusivamente la luz solar como fuente de energía.
El físico francés Alexandre-Edmond Becquerel fue quien descubrió este fenómeno en 1839 mientras investigaba la interacción entre la luz y la electricidad, marcando así el inicio del desarrollo de la tecnología fotovoltaica.
Uso y aplicaciones del efecto fotovoltaico
El efecto fotovoltaico es fundamentalmente utilizado para la generación de energía eléctrica a través de la conversión directa de la luz solar en electricidad. Esta aplicación se materializa en tecnologías como los paneles solares fotovoltaicos, que emplean materiales semiconductores para aprovechar este fenómeno.
Los materiales semiconductores, como el silicio, son fundamentales en esta aplicación debido a su capacidad para aprovechar el efecto fotovoltaico. Cuando los fotones de la luz impactan sobre estos materiales, provocan una excitación en los electrones, generando así corriente eléctrica.
Los paneles solares, compuestos por células fotovoltaicas, son el pilar de esta tecnología. Estas células están fabricadas con materiales semiconductores, generalmente silicio puro con impurezas controladas, que permiten maximizar la eficiencia de conversión de la luz solar en electricidad. Este proceso es esencial para la obtención de energía limpia y renovable, contribuyendo significativamente a la mitigación del cambio climático y a la independencia energética.
Cómo funciona
El efecto fotovoltaico se inicia en el momento en el que un fotón impacta con un electrón de la última órbita de un átomo de silicio. Éste último electrón se llama electrón de valencia y recibe la energía con la que viajaba el fotón.
El fotón es la partícula elemental portadora de todas las formas de radiación electromagnética incluida la radiación solar.
Si la energía que adquiere el electrón supera la fuerza de atracción del núcleo del átomo del silicio (energía de valencia), este sale de su órbita y queda libre. Al quedar libre, el electrón puede viajar a través del material conductor formando una corriente contínua.
No todos los fotones que llegan a las células solares se convierten en electricidad. Parte de la radiación incidente se pierde por reflexión (rebota) y otra parte por transmisión (atraviesa la célula).
Efecto fotoelectrico celdas fotovoltaicas: generación de corriente
Cada electrón liberado deja atrás un agujero, o espacio libre, hasta que lo ocupe un electrón que ha saltado de otro átomo. Estos movimientos de cargas eléctricas (electrones) liberadas de los espacios que dejan atrás es lo que se llama corriente eléctrica.
Esta corriente de cargas puede salir del material con el fin de realizar un trabajo útil como por ejemplo accionar un motor, alimentar una bombilla, etc. Para que esto suceda de manera constante y regular, es necesario que exista la presencia de un campo eléctrico de polaridad constante. Este campo polariza las partículas y actúa como una verdadera bomba que impulsa los electrones en un sentido y genera hoyos en el opuesto.
En las placas solares convencionales, el campo eléctrico se forma gracias a que una zona del material tiene exceso de electrones (carga negativa), mientras que la otra tiene carencia de ellos (carga positiva). De este modo, al liberar un electrón,que tiene carga negativa, es impulsado a través del material hasta la zona donde la carga es positiva.
Importancia de los fotones
Los fotones correspondientes a longitudes de onda pequeñas (radiación ultravioleta) son más energéticos que los correspondientes a longitudes de onda mayores (radiación infrarroja).
Cada material semiconductor tiene una energía mínima que permite liberar electrones de sus átomos. Esta energía corresponderá a fotones de una determinada banda de frecuencias que irá desde los asociados a la ultravioleta hasta los colores visibles, salvo del rojo que ya tiene una energía asociada inferior de los 1,2 electronvoltios.
¿Por qué no todos los fotones se convierten en electricidad?
No todos los fotones alcanzan el objetivo de separar electrones. Esto se debe a que al atravesar el material los fotones pierden energía. En ocasiones, en el momento de la colisión algunos fotones ya han perdido la demasiada energía para desplazar un electrón.
Asimismo, hay un porcentaje de fotones que llegan a atravesar la lámina de semiconductor sin toparse con ningún electrón y de otros que son reflejados. En estos casos no se produciría el efecto fotovoltaico haciendo saltar los electrones de una capa a otra.