La energía fotovoltaica nos permite generar energía renovable utilizando el sol. Funciona convirtiendo la radiación solar en electricidad mediante el efecto fotoeléctrico, pero ¿qué es y cómo se ha vuelto tan prevalente?
¿Qué es la energía fotovoltaica?
La energía fotovoltaica es una fuente limpia y renovable de energía que utiliza la radiación solar para producir electricidad. Se basa en el efecto fotoeléctrico, que es la emisión de electrones cuando la radiación electromagnética (es decir, la luz) golpea un material. Los electrones emitidos de esta manera se conocen como fotoelectrones y generan una corriente eléctrica.
Para aprovechar la radiación electromagnética y convertirla en electricidad utilizable, se utiliza un dispositivo semiconductor conocido como celda fotovoltaica. Estas celdas están comúnmente hechas de silicio monocristalino, policristalino o amorfo, aunque también se pueden utilizar otros materiales semiconductores de película delgada.
El tipo de material utilizado tiene un impacto en la eficiencia de la celda solar. Aquellas hechas de silicio monocristalino, por ejemplo, se obtienen a partir de un solo cristal de silicio puro y pueden alcanzar una eficiencia máxima de entre el 18 % y el 20 % en promedio. En contraste, aquellas hechas de silicio amorfo tienen una red cristalina desordenada y esto conduce a una eficiencia de rendimiento más baja, entre el 8 % y el 9 % en promedio (pero también son mucho más baratas).
Un poco de historia sobre la luz
La investigación sobre la naturaleza de la luz se sabe que comenzó en la época de los antiguos griegos. Durante este tiempo, filósofos como Platón, Sócrates y Pitágoras ofrecieron sus opiniones y teorías sobre el tema, y científicos de la época medieval se unieron más tarde para trabajar en teorías sobre la luz y la visión.
Sin embargo, no fue hasta 1678, cuando Christian Huygens desarrolló una técnica para demostrar cómo se mueve la luz en ondas y dónde se propagan las ondas de luz, que realmente comenzamos a comprender la naturaleza de la luz. En ese momento, no se consideraba como una evidencia suficientemente buena, pero trabajos posteriores en el siglo XIX de Thomas Young (en 1801) y James Clerk Maxwell (en 1865) culminaron en lo que hoy entendemos como un haz de luz: una onda viajera de campos eléctricos y magnéticos.
El descubrimiento del efecto fotoeléctrico
En 1887, Heinrich Hertz realizó algunos experimentos con un generador de chispas para probar la hipótesis de James Clerk Maxwell. Se cree que estos experimentos produjeron la primera transmisión y recepción de ondas electromagnéticas.
En el experimento, las chispas generadas entre dos pequeñas esferas metálicas en un transmisor crearon chispas que saltaban entre dos perillas de latón en un lazo de alambre de cobre que actuaba como receptor. Luego, una pequeña chispa saltaba entre estos dos electrodos. Hertz descubrió que al iluminar los electrodos con luz ultravioleta, podía hacer que el receptor produjera chispas más vigorosamente. Este fue el primer descubrimiento del efecto fotoeléctrico.
Aunque Hertz no explicó el fenómeno observado (el efecto fotoeléctrico), sus resultados fueron confirmados por Wilhelm Hallwachs alrededor de un año después. Mostró que la luz ultravioleta que brilla sobre una bombilla de cuarzo evacuada con dos placas de zinc actuando como electrodos y conectada a una batería generaba una corriente debido a la corriente fotoeléctrica (emisión de electrones).
La ley de Stoletov (la primera ley del fotoefecto ) también confirma esto: que hay una proporcionalidad entre la intensidad de la radiación electromagnética que actúa sobre una superficie metálica y la corriente fotoeléctrica inducida.
Electrones y la teoría de Einstein
En 1897, JJ Thompson descubrió los electrones (o corpúsculos, como se les llamaba entonces). Luego propuso una estructura para el átomo y, en 1899, demostró que la sensibilidad aumentada en los experimentos de Hertz se debía a que la luz empujaba a los corpúsculos. También, en 1899, Philipp Lenard demostró que la irradiación de metales con luz ultravioleta puede producir fotoelectrones. Descubrió que la energía cinética de estos fotoelectrones era independiente de la intensidad de la luz de la misma frecuencia. A pesar de esto, estuvo de acuerdo en que se emitirían más fotoelectrones a partir de una fuente brillante que de una débil.
Trece años después, el estudiante de Thompson, Rutherford, propuso un modelo para el átomo como un núcleo cargado positivamente con electrones (cargas negativas) que circulan a diferentes distancias alrededor de él. Esta estructura nuclear del átomo todavía se acepta hoy. El trabajo de Rutherford le ha valido el título de padre de la física nuclear.
Einstein intentó explicar el efecto fotoeléctrico retomando la idea de corpúsculos de luz que Isaac Newton había defendido siglos antes. También consideró los trabajos de Max Planck, que propuso que la luz viene en paquetes de energía, y que en un haz de luz, hay cientos de cuantos. Reconoció que el modelo de Planck era real: la luz no es una onda continua de radiación electromagnética, sino más bien una corriente de cuantos discretos. El trabajo de Einstein resultó en una fórmula esencial para la física cuántica conocida como la relación de Planck-Einstein:
Eē = ½ · m · v2 = E y - W = h · f – W
Donde Eē es la energía de un electrón, v es la velocidad de un electrón, m es la masa de un electrón, Eᵧ es la energía del cuanto de luz y W es la función de trabajo, que es una constante dependiente del metal.
W es la energía necesaria para liberar un electrón de un metal y producir fotoelectrones. La cantidad de fotoelectrones liberados depende del metal, su estructura cristalina y la superficie pulida. Einstein teorizó que cuando la luz golpea un metal, parte de la energía se destina a W y parte va a los electrones como energía cinética. Cuando la energía suministrada coincide con W, se liberan electrones a velocidad cero. Esto explica la observación de Hertz de que con intensidades más altas de luz ultravioleta, se liberaban más chispas.
Por su trabajo y servicios a la física teórica, y especialmente por su descubrimiento de la ley del efecto fotoeléctrico, Einstein recibió el Premio Nobel en 192
Aunque el trabajo de Einstein sigue siendo válido en la ciencia actual, es costumbre utilizar el término fotones debido al trabajo de Gilbert Lewis en 1926, que propuso que en lugar de cuantos de luz, deberíamos considerar un nuevo tipo de átomo, el fotón, como el portador de la luz. Los científicos consideran que fotón es un sinónimo adecuado para los trabajos de cuantos de luz de Einstein.
¿Cuál es la diferencia entre el efecto fotovoltaico y el efecto fotoeléctrico?
El efecto fotovoltaico, muy similar en naturaleza al efecto fotoeléctrico, es el fenómeno físico responsable de la creación de una diferencia de potencial eléctrico (voltaje) en un material cuando se expone a la luz. El efecto fotovoltaico en los semiconductores permite el uso de las células solares como dispositivos generadores de corriente. Mientras que el efecto fotoeléctrico involucra fotones de luz que sacan completamente los electrones de un material, el efecto fotovoltaico implica que los fotones de una fuente de luz solo saquen a los electrones de sus orbitales atómicos, pero los mantengan en el material, lo que les permite fluir libremente a través del mismo.