La energía solar, junto con la eólica, la undimotriz y la geotérmica, está experimentando un creciente interés en la investigación de energía renovable. Una vez instalados, los paneles solares no emiten gases ya que convierten la luz solar directamente en energía a través del efecto fotovoltaico, evitando el sistema de turbinas presente en otras fuentes de energía comercial.
El efecto fotovoltaico
El efecto fotovoltaico convierte la luz en electricidad. Cuando la luz incide sobre la célula, la energía absorbida excita los electrones ligados, permitiéndoles saltar sus enlaces atómicos y volverse libres. Los electrones libres se desplazan a través del material y la corriente resultante se aprovecha cuando se conectan conductores a ambos lados de la célula. Debido a la ausencia de partes móviles, incluyendo turbinas, los costos de mantenimiento son más bajos y no se utiliza combustible.
El efecto fotovoltaico requiere de un material sensible a la luz. Durante los últimos 175 años, los investigadores han observado las propiedades fotovoltaicas de varios materiales diferentes. Las primeras células solares de 1880 tenían una eficiencia del 1%, lo cual fue revolucionario para la época. Estos primeros intentos se construyeron con selenio recubierto de oro.
El progreso se estancó en ese porcentaje durante décadas. La descripción precisa del efecto fotovoltaico por parte de Albert Einstein en 1905 fue un hito importante en el desarrollo de la energía solar, pero no fue hasta la década de 1950 que se vio una mejora real en los paneles solares. En 1956, Gordon Pearson, Darryl Chapin y Cal Fuller utilizaron silicio para producir una célula solar, logrando una eficiencia mucho mayor del 4% e introduciendo el silicio como un material clave en la producción de energía solar.
Silicio en las células solares
El silicio que se encuentra en una célula solar ha sido altamente procesado. El material se obtiene en minas de sílice, que a menudo se encuentran en regiones con altas concentraciones de cuarzo. El sílice se refina hasta alcanzar una pureza metalúrgica. Este proceso se lleva a cabo en un horno de arco eléctrico, donde se utiliza carbono para liberar el oxígeno presente en el cuarzo de sílice, lo que resulta en una composición de sílice más consistente. Sin embargo, la pureza metalúrgica no es suficiente para una célula fotovoltaica.
Las tasas de alta eficiencia aumentarán la cantidad de energía liberada por la célula, por lo que la pureza del material capaz de ser fotovoltaico es de suma importancia. El silicio de grado metalúrgico se expone a ácido clorhídrico y cobre, lo cual produce gas de triclorosilano. Luego, se utiliza hidrógeno para reducir este gas a gas de silano, que a su vez se calienta para obtener silicio fundido.
El silicio puro es cristalino, una estructura necesaria para las células fotovoltaicas. El nivel de pureza del silicio en este estado varía desde el 999999% hasta el 99999999% puro. El silicio puede organizarse en una estructura monocristalina, que tiene las tasas de eficiencia más altas pero también el costo más elevado, o en un revestimiento policristalino.
Procesamiento del silicio cristalino para células solares
Los revestimientos policristalinos se fabrican fundiendo varios cristales de silicio juntos, lo que los hace más económicos que las configuraciones monocristalinas. Además, las células policristalinas requieren menos energía para su producción, lo cual es positivo para aquellos que deciden utilizar energía solar por razones ambientales.
Una vez que el silicio (tanto monocristalino como policristalino) ha sido preparado correctamente, se le trata o dopa con fósforo y boro para formar un semiconductor. Los semiconductores son materiales que conducen electricidad en radios, computadoras, televisores y otros dispositivos cotidianos. Su conductividad se encuentra entre la de un conductor y un aislante.
Después de esta etapa, las propiedades básicas del panel solar están presentes. Sin embargo, antes de que el panel pueda ser instalado, se completan varios procedimientos adicionales. Primero, los discos de silicio semiconductores se recubren con dióxido de titanio, lo que los hace menos reflectantes y reduce los riesgos para las aeronaves.
Luego, los discos de silicio se colocan en un marco, que a menudo está hecho de aluminio. El bajo peso del aluminio permite una instalación fácil y aumenta el número de estructuras que pueden soportar los paneles solares. Cada célula está protegida por caucho de silicona o plástico butiral. Luego, se cubre la célula con vidrio, a menos que vaya a ser utilizada en el espacio en un satélite, en cuyo caso se elige plástico en su lugar.
Procesamiento de las células solares - Preocupaciones ambientales y de salud
Cuando se evalúan los paneles solares como una fuente clave de energía, tener en cuenta cualquier preocupación. Uno de los problemas que enfrenta la industria solar es que muchos de los materiales utilizados para producir los paneles solares pueden ser peligrosos. Algunos problemas potenciales incluyen:
- La sierra utilizada para cortar el silicio en discos genera polvo de silicio llamado kerf, con hasta un 50% de desperdicio. El kerf puede ser inhalado por los trabajadores, lo que causa graves problemas respiratorios.
- El gas de sílice es altamente explosivo y puede llegar a incendiarse espontáneamente.
- Los reactores de producción de silicio se limpian con hexafluoruro de azufre, que es el gas de efecto invernadero más potente por molécula según el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático. También puede reaccionar con otras sustancias químicas para producir dióxido de azufre, responsable de la lluvia ácida.
El futuro de las células solares
La investigación reciente se ha centrado en aumentar la eficiencia de las células fotovoltaicas y los paneles solares. Si bien se han logrado avances desde la construcción de la primera célula solar en 1880, las eficiencias promedio todavía están por debajo del 30%, y muchas células apenas superan el 10% de eficiencia. Si la energía solar va a despegar en el próximo siglo, se deben lograr mejoras significativas en su eficiencia.
Perovskitas en las células solares
Investigaciones recientes han encontrado una manera económica de mejorar las propiedades fotovoltaicas del silicio. Este método utiliza perovskitas. Las perovskitas pueden estar compuestas de varios materiales diferentes, pero el plomo es una opción popular. Tienen una estructura cristalina particular similar a la del titanato de calcio.
En un estudio realizado por investigadores de Stanford, la eficiencia de las células solares aumentó del 14% al 17% al agregar una célula de perovskita. Eso representa un aumento de más del cincuenta por ciento. Sin embargo, cuando agregaron la misma estructura a una célula de silicio con una eficiencia del 17%, los resultados fueron mucho menos drásticos: un aumento de solo el 0.9% de eficiencia. Las perovskitas seguirán siendo objeto de mucha investigación futura en el campo de las células solares.
Fuentes y lecturas adicionales
- Solar Cells - Chemistry Explained
- A Solar Future - Vox
- Solar Cells - Madehow
- Hazardous Materials in Silicon Cell Production - Solar Industry
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