La conversión de energía solar en energía eléctrica y de ahí en energía rotativa, cinética, electromagnética, calorífica, luminosa u otra, ha sido uno de los objetivos del hombre en las últimas décadas. El efecto fotoeléctrico se produce cuando un material en concepto es irradiado con energía luminosa y genera corriente eléctrica. Desde que se descubrió este efecto, los científicos han centrado sus esfuerzos en conseguir los mejores rendimientos en la conversión de la energía solar.
Hay diferentes dispositivos de conversión directa de energía solar en energía eléctrica, como los convertidores termoeléctricos, los termoiónicos y los fotovoltaicos. Entre ellos, destaca la conversión fotovoltaica ya que es la única que ha demostrado su eficacia en aplicaciones terrestres a gran escala y constituye un camino muy prometedor hacia la potencia electro-solar. Este proceso, llamada también proceso de foto emisión interna, se produce fundamentalmente por foto emisión que posee un umbral inferior a la absorción de fotones, y la luz a ser electricidad sin pasar antes por un estadio de energía térmica.
La conversión fotovoltaica se realiza mediante materiales semiconductores, para los que la excitación de los electrones tiene efectos importantes sobre su conductividad. Al no ser suficiente que los electrones se hayan excitado para que sean capaces de moverse libremente, se precisa una fuerza externa que los haga mover. Esta fuerza necesaria puede surgir con la presencia de un gradiente de potencial eléctrico, como el que se produce en la unión p-n de los materiales semiconductores dopados.
La unión p-n es una unión de semiconductor tipo p con un tipo n. Dicha unión produce un campo eléctrico que hace que los electrones excitados por la radiación solar se muevan desde el semiconductor tipo p al de tipo n y den lugar a la formación de huecos, dejados por los electrones al moverse en sentido contrario. Si los electrones y los huecos llenan a sus respectivos ejes de material semiconductor, el dispositivo es capaz de suministrar energía eléctrica a un circuito exterior. Esta unión p-n puede utilizarse para convertir la energía solar directamente en energía eléctrica a través de las células solares, dispositivos que aprovechan esta propiedad.
Las células solares o fotovoltaicas se desarrollaron tal y como las conocemos ahora en 1953, y se han usado en los satélites espaciales desde 1958, en las telecomunicaciones remotas y en sistemas de señalización desde mediados de los 60, en áreas residenciales alejadas desde la década de los 70 y, a partir de los 80. Con el precio de la tecnología mucho más bajo y la subida, tanto medioambiental como económica, de las fuentes convencionales de energía, ha entrado en una nueva era de crecimiento internacional.
Aparte de las células fotovoltaicas existen otras, pero la fotovoltaica es la única que posee una absorción óptica muy alta y una resistencia eléctrica lo suficientemente baja como para poder convertir la energía solar en energía útil de modo económico. Gracias a que hay una amplia elección de semiconductores con el intervalo apropiado de absorción espectral, podemos seleccionar un material apropiado que abarque el espectro solar. Estos semiconductores se hacen uniendo partes positivas y negativas de silicio, que actualmente es el que más rinde. Todas las células solares actuales tienen en común tres características:
- Un absorbente óptico que convierte los fotones en pares electrón-hueco.
- Un campo eléctrico interno que separe estas cargas.
- Contactos en los extremos del semiconductor para la conexión con una carga externa.
La parte de los convertidores que absorbe los fotones es el semiconductor que se elige de forma que tenga una banda prohibida similar a la del espectro solar. No podríamos coger una célula solar con un valor bajo de energía de banda prohibida aunque pareciera lo ideal para que absorbiese casi todo el espectro, pero la fuerza electromotriz también lo será. Es poco probable que un fotón tenga el doble de energía que el nivel de fermi, y por eso, siempre sólo habrá un par electrón-hueco por fotón absorbido y la energía en exceso del fotón se disipará.
Un proyecto futurista propuesto para producir energía a gran escala propone situar módulos solares en órbita alrededor de la Tierra. La energía concentrada de la luz solar se convertiría en microondas que se emitirían hacia antenas terrestres para su conversión en energía eléctrica. Para producir tanta potencia como cinco plantas grandes de energía nuclear, de mil millones de kilowatios cada una, tendrían que ser ensamblados en órbita varios kilómetros cuadrados de colectores, con un peso de más de 4.000 toneladas.
Redacción Ambientum
