Cómo funcionan los paneles solares

©Flickr/O'Connor College of Law Pix La energía solar ya cubre más del 50% de los costos energéticos de Alemania. Obviamente, el futuro de la energía es paneles solares. ¿Cuáles son los principios básicos de su trabajo? En un momento, las células solares se utilizaban casi exclusivamente en el espacio, por ejemplo, como principal fuente de energía para los satélites. Desde entonces, los paneles solares han entrado cada vez más en nuestras vidas: cubren los techos de casas y automóviles, se utilizan en relojes de pulsera e incluso en gafas oscuras. ¿Pero cómo funcionan los paneles solares? ¿Cómo es posible convertir la energía de la luz solar en electricidad?

Principios básicos

Los paneles solares consisten en células fotovoltaicas empaquetadas en un marco común. Cada uno está hecho de un material semiconductor, como el silicio, que es más comúnmente utilizado en paneles solares.

Cuando los rayos caen sobre el semiconductor, se calienta, absorbiendo parcialmente su energía. La entrada de energía libera electrones dentro del semiconductor. Un campo eléctrico se une a la célula solar, que dirige electrones libres, causando que se muevan en cierta dirección. Este flujo de electrones forma una corriente eléctrica.

Si aplica contactos metálicos en la parte superior e inferior de la fotocélula, puede dirigir la corriente resultante a través de los alambres y utilizarla para la operación de varios dispositivos. La fuerza actual junto con el voltaje celular determina la potencia de la electricidad producida por la fotocélula.



Panel solar ©depositphotos.com

semiconductores de silicona

Considere el proceso de liberación de electrones utilizando el ejemplo de silicio. Un átomo de silicio tiene 14 electrones en tres conchas. Los dos primeros proyectiles están completamente llenos de dos y ocho electrones, respectivamente. El tercer proyectil está medio vacío, con sólo 4 electrones.

Debido a esto, el silicio tiene una forma cristalina; tratando de llenar los vacíos en la tercera cáscara, los átomos de silicio intentan “compartir” electrones con vecinos. Sin embargo, un cristal de silicio en su forma pura es un pobre conductor, ya que casi todos sus electrones se sientan firmemente en una celosía de cristal.

Por lo tanto, los paneles solares no utilizan el silicio puro, pero los cristales con pequeñas impurezas, es decir, los átomos de otras sustancias se introducen en el silicio. Sólo hay un átomo por millón de átomos de silicio, como un átomo de fósforo.

El fósforo tiene cinco electrones en su caparazón exterior. Cuatro de ellos forman vínculos cristalinos con átomos de silicio cercanos, pero el quinto electrón se deja colgado en el espacio, sin ningún vínculo con átomos vecinos.

Cuando la luz solar golpea el silicio, sus electrones reciben energía adicional, que es suficiente para desgarrarlos de los átomos correspondientes. Como resultado, los agujeros permanecen en su lugar. Los electrones liberados pasan por la celosía como portadores de corriente eléctrica. Cuando encuentran otro agujero, lo llenan.

Sin embargo, en el silicio puro, tales electrones libres son demasiado pocos debido a los fuertes lazos de átomos en la celosía cristalina. Bastante otra cosa - silicio con una mezcla de fósforo. La liberación de electrones sin límites en los átomos de fósforo requiere mucha menos energía.

La mayoría de estos electrones se convierten en portadores libres que pueden ser dirigidos y utilizados eficientemente para generar electricidad. El proceso de añadir impurezas para mejorar las propiedades químicas y físicas de una sustancia se llama dopaje.

Silicon dopado con átomos de fósforo se convierte en un semiconductor electrónico de tipo n (de la palabra "negativo", debido a la carga negativa de electrones).

El silicona también está dopado con boro, que tiene sólo tres electrones en su cáscara exterior. El resultado es un semiconductor tipo p (de “positivo”), en el que surgen “agujeros” cargados positivamente.

Dispositivo de batería solar

¿Qué pasa cuando conectas un semiconductor tipo n a un semiconductor tipo p? En el primero de ellos se formaron muchos electrones libres, y en el segundo, muchos agujeros. Los electrones tienden a llenar los agujeros lo más rápido posible, pero si eso sucede, ambos semiconductores se volverán eléctricamente neutrales.

En cambio, cuando los electrones libres entran en un semiconductor tipo p, se carga la región en la unión de ambas sustancias, formando una barrera que no es tan fácil de cruzar. En el límite p-n de la transición hay un campo eléctrico.

La energía de cada fotones de luz solar es generalmente suficiente para liberar un electrón, y por lo tanto para formar un agujero adicional. Si esto sucede cerca de la unión p-n, el campo eléctrico envía el electrón libre al lado n y el agujero al lado p.

Así, el equilibrio se perturba aún más, y si un campo eléctrico externo se aplica al sistema, los electrones libres fluirán al lado p para llenar los agujeros, creando una corriente eléctrica.

Desafortunadamente, el silicio refleja la luz bastante bien, lo que significa que una parte significativa de los fotones desaparece en vano. Para reducir las pérdidas, las células solares se recubren con revestimiento antirreflejos. Por último, para proteger la batería solar de la lluvia y el viento, también es costumbre cubrirla con vidrio.





El barco solar más grande del mundo PlanetSolar ©PlanetSolar/Philip Plisson

La eficiencia de las células solares modernas no es demasiado alta. La mayoría de ellos procesan eficientemente del 12 al 18 por ciento de la luz solar que reciben. Las mejores muestras cruzaron la barrera de eficiencia del 40%.



Fuente: naked-science.ru/article/nakedscience/how-solar-cells-work