Cómo funcionan los paneles solares?

Desde que me interesa la energía fotovoltaica y sus aplicaciones, me he preguntado si no existe alguna manera de explicar de forma didáctica y accesible a todos los públicos el fenómeno sobre el cual se rige la transformación de energía solar en energía eléctrica — El fenómeno fotovoltaico. Se trata de un gran desafío pues los principios que están detrás de este fenómeno suelen ser muy técnicos, sin embargo creo que es necesario hacer el intento. Hoy asumo el reto y haré mi mejor esfuerzo.

El fotón es la unidad mínima de energía luminosa que es capaz de ser transferida en un proceso. Se trata de paquetes de energía concentrada que el famoso Albert Einstein llamó inicialmente “cuantos de luz” en su estudio sobre el efecto fotoeléctrico en 1905 para que reciban posteriormente el nombre de fotones gracias a los estudios del científico americano Gilbert Newton Lewis en 1926.

El fotón como concepto revolucionó la ciencia pues pasaba a demostrar que la luz estaba formada por partículas luminosas y no por ondas, confirmando así los estudios iniciales de Newton con respecto a su naturaleza corpuscular. Estudios más recientes han demostrado que la naturaleza de la luz es más bien del tipo dual es decir se comporta tanto como onda y partícula, pero este último es tema para otro artículo.

Lo cierto es que los fotones son precisamente partículas indivisibles, cargadas con energía variable dependiente de la frecuencia de la luz. Energía constante, abundante e imperecedera, características que desde mucho tiempo atrás motivaron los estudios que tenían como finalidad aprovechar esta energía.

Como resultado de los estudios e investigaciones se determinó que los materiales semi conductores serían los aliados perfectos para lograr convertir dicha energía luminosa constante, variable y dispersa en energía eléctrica concentrada y utilizable.

La conductividad eléctrica es una de las características de los materiales, existen materiales muy conductivos que son aquellos que ponen muy poca resistencia a la corriente eléctrica, es decir al flujo o traslado de electrones, y son conocidos como conductores y hay otros materiales que por el contrario imponen mucha resistencia al flujo de corriente a los cuales se les llama aislantes. Los materiales con conductividad media, suelen ser llamados semi conductores.

El silicio es el material más utilizados en la fabricación de paneles solares, sin embargo en su estado natural es un mal conductor de la corriente eléctrica pues posee muy pocos electrones o cuenta con un nivel muy bajo de déficit de electrones, por ello para transformarlo en un semiconductor debemos añadir algunas sustancias que aporten algunas de esas dos características. Por ejemplo, añadiendo Fósforo obtenemos un material con exceso de electrones libres o material tipo N y añadiendo Boro obtenemos un material con alto déficit de electrones o material de tipo P, a este proceso se le conoce como “dopado de material”. El silicio dopado es el material semiconductor más usado en la industria electrónica.

Ahora que contamos con material del tipo N y material del tipo P, la magia es posible. Las células solares están constituidas por una capa superior de material N colocada en paralelo a una capa inferior del tipo P algo más gruesa, ambas separadas por un material aislante. Colocar estas dos capas juntas, debido a su complementariedad eléctrica, genera un campo eléctrico. Pero aún se necesitan dos componentes más para generar corriente eléctrica. Por un lado un conductor o un cable que una ambas capas para permitir el flujo de electrones y por otro lado cargas de energía suficiente que impacten con los electrones de la capa N donándoles energía y transformándolos en electrones móviles que gracias al campo eléctrico ya formado por la unión de ambas capas y gracias al conductor que las une podrán fluir constantemente de una capa a la otra en la medida que la energía que da movilidad inicial a los electrones se mantenga presente. Esta energía la proveen los fotones. Y ese flujo constante de electrones de una capa a la otra se llama electricidad.

Sin duda, combinar la magnificencia de la naturaleza y el extraordinario ingenio humano puede generar verdaderas maravillas.