Conversión de la luz
en energía eléctrica



Por
Antonio Sarmiento Sera*

El fenómeno de la transformación
de la energía solar en energía eléctrica constituye la esencia de las celdas fotovoltaicas.

 

La energía radiante, como otras manifestaciones de la materia, presenta propiedades ondulatorias y corpusculares, por eso es que cuando se consideran las ondas de radio, televisión, rayos X o la luz visible, pueden manifestarse sus propiedades ondulatorias o corpusculares.

Dentro de la radiación solar no todos los fotones son visibles al ojo humano.
En la figura 1 se representa la distribución de la cantidad de fotones por cada metro cuadrado, cada segundo y a cada intervalo de energía (fotones / m2 s eV), en función de la energía de los fotones, para la radiación solar estándar con irradiancia de 1 000 W/m2.
Se ha representado un rango de energía en la zona alrededor de la visible.

La cantidad de fotones resulta enorme, dada la relativa baja energía de cada fotón, en relación con la potencia solar incidente en 1 m2. En la figura 1 la barra correspondiente a una energía de 2 eV posee 1,3 x 1023 fotones por m2s eV. Aquí la escala de energía se expresa en la unidad de medida eV (electronvolt), que también resulta relativamente pequeña para nuestra vida cotidiana, pues 1 kWh es igual a 2,2 · 1025 eV. Solo se representan algunas barras ilustrativas, aunque la distribución (también llamada espectro) tiene un carácter continuo para la radiación solar.


Fig. 1. Espectro de la radiación solar.

En resumen, la radiación solar contiene un conjunto variado de fotones, con cantidades de fotones y energías diferenciadas.

Estructura de la celda fotovoltaica
Aunque existen variadas estructuras y materiales para las celdas fotovoltaicas, se ilustra con una estructura simple y material de silicio monocristalino (Fig. 2).


Fig. 2. Estructura general de la celda fotovoltaica.

En la figura 2 la capa superior se coloca como protección y debido, además, al efecto de reflexión de la luz (Fig. 3), el que puede provocar una pérdida de 40% de energía. Con una capa simple puede reducirse la pérdida a 6%; y con una multicapa, a 1%.


Fig. 3. Componentes energéticos
en la incidencia de la luz.

Resulta interesante señalar que en el efecto de atenuación de la pérdida por reflexión, con la capa, se manifiestan las propiedades ondulatorias de la luz.

Procesos y eficiencias en la transformación de la energía
En la figura 2 la capa inferior (p+) sirve de colector inferior de la corriente generada, donde se pierde cerca de 2% de la corriente generada.

Las capas centrales (n+ y p) constituyen la zona de generación de electricidad.
Dentro de los relativos pequeños espesores de las capas existen importantes diferencias entre ellas; los espesores están dados en micrómetros (m), que equivalen a una milésima de milímetro.

En la figura 4 se ilustra la estructura cristalina de un material y la interacción de algunos fotones incidentes, con electrones de determinados átomos de la red cristalina. En los casos (a) y (b) se ilustran las posibilidades de que el electrón capture o no al fotón.
Para que el fotón sea capturado debe tener una energía superior a una cantidad dada, llamada ancho de banda prohibida, que en el caso del silicio es de Eg = 1,1 eV. Como puede apreciarse en la figura 1, no todos los fotones poseen energía superior a ese valor, por lo que sólo cerca de 47% de los fotones son capturados. Ese valor es conocido como eficiencia espectral.

La entrega de energía de la celda también depende del circuito eléctrico exterior que la reciba, por lo que ambos deben diseñarse para que la celda ofrezca la máxima transferencia de energía, llamándose a la tensión eléctrica de la celda, en tal caso, V(MPP). Considerando que la mínima energía que se le entrega al electrón es Eg, se tiene:

Eficiencia por transferencia eléctrica = eV(MPP) / Eg » 0,7 / 1,1 = 65%.

En el lugar que estaba ocupado por el electrón, al liberarse, queda la falta o vacancia del electrón, llamado «hueco» (ver Figs. 4 y 5).



Fig. 4 y 5. Representación de la captura del fotón
Representación de los electrones liberados.

En la figura 5, a través del movimiento ordenado en un sentido, de los electrones liberados es que se representa la corriente eléctrica, como resultado de la intelección de la luz con la celda. Esta corriente eléctrica, ya fuera de la celda, a través de los contactos de salida y entrada (ver Fig. 2), es la que permite el uso de una calculadora solar o del televisor en una escuela rural primaria en Cuba.

En el fenómeno de captura del fotón se manifiestan las propiedades corpusculares de la luz, además de su comportamiento cuántico, pues o se captura completo o no se captura.
Resulta importante destacar la posibilidad de una recombinación, es decir, que el electrón, después de haber sido generado, sea atrapado por un «hueco» en su trayectoria hacia la salida. Esta posibilidad se ilustra en la figura 5 al considerar que el electrón liberado que se encuentra en el centro de la figura, sea capturado (recombinado) por el hueco que tiene frente a él, perdiéndose la oportunidad de que ese electrón salga de la celda, en forma de electricidad. La recombinación representa una pérdida del orden de 10%. Para reducir la recombinación se realizan procesos de purificación y cristalización del silicio, lo cual representa una parte importante del costo económico de la celda.

Los elementos de eficiencia que se han señalado son los siguientes:

Eficiencia por reflexión = 99% (pérdida por reflexión = 1%).
Eficiencia espectral = 47%.
Eficiencia eléctrica = 65% (máxima transferencia).
Eficiencia por recombinación = 90% (pérdida por recombinación = 10%).
Eficiencia en contacto inferior = 97% (pérdida de 2%, más otras pérdidas).
De aquí que la eficiencia energética integral de la celda sea aproximadamente:
Eficiencia = (0,99) (0,47) (0,65) (0,90) (0,97) = 26%

Este valor representa un límite teórico. En la práctica, se han logrado valores cercanos en condiciones especiales de laboratorio y se fabrican celdas comerciales de silicio monocristalino, con gran estabilidad y garantía, con eficiencia de 15%. Es decir, que si en un panel fotovoltaico, con un metro cuadrado de superficie efectiva de celdas, incide una irradiancia de 800 W/m2, la potencia eléctrica que entrega el panel es de (0,15)
(800) = 120 W.

Existen otros variados materiales y estructuras tecnológicas de fabricación de celdas que buscan incrementar cada uno de los elementos que influyen en la eficiencia, así como disminuir los costos de producción, y en todos los casos el conocimiento y estudio de los fenómenos básicos de su funcionamiento resultan importantes para el desarrollo de este recurso, que utiliza la esencial fuente renovable de energía, el Sol.


* Profesor del Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER),
del Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría (CUJAE),
La Habana, Cuba.
e-mail: sarmiento@ceter.cujae.edu.cu