El corazón de las celdas solares

La radiación solar es una energía proveniente del espacio exterior, emitida por el sol y se transporta en forma de ondas electromagnéticas hacia nuestro planeta. Esta energía puede ser aprovechada por los habitantes de la Tierra y una de las opciones es transformarla en electricidad mediante el llamado efecto fotovoltaico, un fenómeno descubierto por el físico francés Alexandre-Edmond Bequerel en 1839, en el cual observó que la luz solar al iluminar ciertos materiales podía producir corriente eléctrica.

Actualmente, este efecto sigue siendo útil para aprovechar la energía del sol, lo que ha dado paso al diseño y fabricación de dispositivos como celdas o paneles solares, pero es importante conocer cómo funcionan y qué materiales “les dan vida” y les permiten generar electricidad.

El material más utilizado en la fabricación de estas celdas solares es el elemento químico llamado silicio, que se obtiene principalmente de la arena de mar o del cuarzo y, mediante diferentes procesos de fabricación, se forman láminas de silicio que son el corazón de las celdas solares.

Pero… ¿Por qué el silicio?, la explicación es la siguiente:  toda materia está constituida por átomos y, estos a su vez, están formados por neutrones y protones ubicados en el núcleo, además de los electrones que se encuentran girando en sus orbitas alrededor del núcleo. Es importante comprender que los electrones más alejados del núcleo poseen menos energía en comparación con los más cercanos y que a la órbita más alejada del núcleo se le conoce como capa de valencia.

Con esta explicación, podemos decir cuándo un material es conductor, aislante o semiconductor, ya que estas características se definen acorde al número de electrones colocados en la capa de valencia de cualquier materia.

Por ejemplo, en un material que sea conductor, la capa de valencia tiene entre 1 y 3 electrones, si existiese alguna energía externa en el átomo, el electrón se liberaría fácilmente al haber poca energía para retenerlos. En cambio, un material que sea aislante tiene entre 5 y 8 electrones y se dificulta su liberación, ya que requiere mayor energía para hacerlo. En el caso de los materiales semiconductores del, que forma parte el silicio, este en particular, tiene 4 electrones en su última capa de valencia y requerirá menos energía que el de los aislantes, pero más que el de los conductores para mover algún electrón que se encuentre en la capa de valencia.

Sin embargo, la fabricación de materiales semiconductores puros, usados en las celdas solares es muy difícil, ya que generalmente está contaminado con impurezas de átomos de otros materiales y cuando se les hace pasar algún tipo de energía, como la radiación solar, el nivel energético en la capa de valencia se eleva y los electrones comienzan a moverse “como se les da la gana”, dificultando el comportamiento que se desea en la celda solar para producir electricidad.

Ahí es donde hay que hacer una “cirugía de corazón” al silicio, pues al manipular intencionalmente este elemento adicionando impurezas puede ser funcional para dar vida a las celdas fotovoltaicas. A este proceso se le conoce como inyectado o dopado.

Un ejemplo sería si unimos el átomo de silicio que tiene 4 electrones en su capa de valencia, con un átomo de otro elemento químico como es el Arsenio que tienen 5 electrones en su última capa, al compartirse ambos átomos sus electrones forman parejas, por lo que quedará un electrón débilmente sujeto a la capa de valencia del Arsenio. Ahora, si juntamos muchos átomos de Silicio y Arsenio el material formado tendrá una gran cantidad de electrones libres, formando un semiconductor más negativo, a este tipo de unión se le conoce como semiconductor tipo “n”.

Por otro lado, si unimos un átomo de Silicio que, como mencionamos anteriormente, tiene 4 electrones de valencia, con un átomo de otro elemento químico como es el Indio, que tienen 3 electrones en su última capa, al compartir en parejas sus electrones, en la capa de valencia quedará un espacio vacío o hueco en el átomo de Indio. si se hace la unión con muchos átomos de Silicio e Indio, el número de huecos predominarán sobre los electrones y formarán un semiconductor más positivo, llamado semiconductor tipo “p”.

Siguiendo con la metáfora del corazón de las celdas, podemos decir que existe un lado A y un lado B de este corazón, estas dos caras o capas son las que forman internamente una celda solar: una es el semiconductor de tipo “n” y otra es de tipo “p”.

Con esta explicación podemos entender que la electricidad se produce cuando los rayos del sol tocan o perturban una de las caras de la celda. Por ejemplo, si la luz solar llega a la cara “p” (semiconductor positivo), los electrones son pocos y no tendrán impedimento para brincar al lado “n”, mientras que en el semiconductor tipo “n” existen más electrones y buscarán pasar al lado “p”.

Si en este ejemplo conectamos un instrumento de medición como un voltímetro en los extremos de la unión “p” y “n”, se observará la existencia de un voltaje. A este fenómeno es el que se conoce como efecto fotovoltaico. Además, si en los extremos de esta unión conectamos una carga eléctrica como un foco, un motor, una resistencia, etc., se accionarán, es decir, tendremos una potencia eléctrica.

Y así es como se da vida a las celdas solares, a través de una ardua cirugía de corazón.