Una celda fotovoltaica (o celda solar) es un dispositivo electrónico que convierte la energía de la luz solar en electricidad. Este proceso se llama efecto fotovoltaico. Las celdas solares son fundamentales para los sistemas fotovoltaicos que capturan la energía del sol y la convierten en electricidad útil para nuestras casas y dispositivos.
Las celdas solares están hechas de materiales que absorben la luz y liberan electrones. El material más común es el silicio, un elemento abundante en la corteza terrestre. Cuando los fotones (partículas de luz) golpean la celda solar, los electrones en el silicio se liberan. Estos electrones libres generan una corriente eléctrica cuando son capturados.
Los paneles fotovoltaicos están compuestos por varios grupos de células fotoeléctricas conectadas entre sí. Cada grupo de celdas solares forman una red de células fotovoltaicas conectadas en circuito eléctrico en serie para aumentar el voltaje de salida. Al mismo tiempo, también se conectan varias redes en circuito en paralelo para aumentar la intensidad de la corriente eléctrica que es capaz de proporcionar el dispositivo.
El tipo de corriente eléctrica que proporcionan las placas fotovoltaicas es corriente continua.
Estructura y composición
Las celdas solares más habituales están formadas por una capa de silicio cristalino de un espesor aproximado de 0,3 mm. El proceso de elaboración es de un nivel sofisticado y delicado para poder conseguir una homogeneidad del material.
El silicio es actualmente el material más utilizado en la creación de nuevas células fotovoltaicas. Este material, que es el compuesto químico más abundante que se encuentra en la corteza de la Tierra, se obtiene mediante la reducción de sílice. El primer paso es crear silicio metalúrgico, 98% puro, a partir de piedras de cuarzo derivadas de una veta mineral (la técnica de creación no tiene nada que ver con la arena).
El silicio de calidad fotovoltaica debe ser transparente hasta alcanzar el 99,999%. Para obtener esta cantidad de pureza, el silicio debe destilarse en un compuesto químico especial. Este compuesto especial vuelve a convertir el destilado en silicio.
Las zonas positivas y negativas de la celda fotovoltaica
El campo eléctrico se genera a partir de la diferente polarización de dos zonas de la celda solar. Generalmente, la parte superior tiene una carga negativa y el resto tiene carga positiva para crear la unión P-N.
La zona P (zona positiva o ánodo receptor) es una zona a la que le faltan electrones y que, por lo tanto, tiene carga positiva. Generalmente, esta configuración se consigue añadiendo al silicio puro una pequeña parte de boro que solo tiene 3 electrones de valencia.
La zona N (zona negativa o cátodo o emisor) tiene exceso de electrones. Generalmente, esta zona está formada por la difusión de fósforo que tiene 5 electrones en la última órbita.
Debido a esta diferencia de carga eléctrica en el material semiconductor, se produce el campo eléctrico encargado de empujar los electrones de la capa N a la capa P.
La eficiencia de conversión media obtenida por las celdas solares fotovoltaicas disponibles comercialmente producidas a partir de silicio monocristalino es inferior a la de las células multicapa, normalmente de arseniuro de galio.
Actualmente hay también nuevas tecnologías en la producción de paneles solares que no utilizan el silicio.
Funcionamiento de una celda fotovoltaica
Si conectamos una celda solar fotovoltaica a un circuito eléctrico con una resistencia (consumo) y al mismo tiempo recibe radiación solar, se producirá una diferencia de potencial eléctrico entre sus contactos. Este voltaje hará que los electrones fluyan a través del circuito, generando una corriente eléctrica.
En estas condiciones, la celda fotovoltaica actúa como un generador de corriente. La luz solar está compuesta por fotones, que son partículas con una cierta cantidad de energía. Cuando estos fotones inciden sobre la celda solar, impactan los electrones en la capa N del silicio. Si un electrón absorbe la energía de un fotón con suficiente energía, este electrón se liberará del material, creando un "hueco" que será ocupado por otro electrón. Este flujo de electrones genera una corriente eléctrica.
La corriente producida por una celda fotovoltaica iluminada y conectada a una carga es la diferencia entre su capacidad de producción bruta y las pérdidas por recombinación de electrones y fotones. La eficiencia de la celda depende de varios factores, como la calidad del material y la cantidad de luz solar que incide sobre la celda.
Ejemplos de aplicaciones de las celdas solares
Las celdas solares tienen diversas aplicaciones tanto en dispositivos pequeños como en grandes sistemas de generación de energía. Aquí hay algunos ejemplos destacados:
Dispositivos pequeños
- Calculadoras: Usan celdas solares para funcionar sin necesidad de baterías. Estas calculadoras son comunes en oficinas y escuelas.
- Relojes: Algunos relojes utilizan celdas solares para recargar su batería, extendiendo su vida útil y reduciendo la necesidad de cambios frecuentes de batería.
- Luces de jardín: Las luces solares para jardines tienen celdas solares que capturan la energía del sol durante el día y la utilizan para iluminar por la noche, sin necesidad de cables ni consumo de electricidad de la red.
Sistemas residenciales
- Paneles solares en tejados: Muchas casas están equipadas con paneles solares que convierten la luz solar en electricidad para uso doméstico. Esto puede reducir significativamente las facturas de electricidad y la dependencia de fuentes de energía no renovables.
Aplicaciones industriales y comerciales
- Plantas solares: Grandes instalaciones solares utilizan vastas cantidades de paneles solares para generar electricidad a escala comercial, proporcionando energía limpia a miles de hogares y empresas.
- Estaciones de carga para vehículos eléctricos: Algunas estaciones de carga utilizan paneles solares para proporcionar energía a los vehículos eléctricos, promoviendo la sostenibilidad y reduciendo la carga en la red eléctrica.
Aplicaciones especializadas:
- Satélites y espacio: Los satélites y otras naves espaciales utilizan celdas solares para generar energía en el espacio, donde la luz solar es abundante y constante.
- Dispositivos portátiles y de emergencia: Las celdas solares se utilizan en cargadores portátiles para teléfonos móviles y en equipos de emergencia, asegurando el suministro de energía en situaciones críticas.