Que son y como funcionan las celulas solares ?¿
Mi hijo mayor me hizo la pregunta no hace mucho y creo es bueno como cultura general que todos sepamos del tema, mal que mal es la energia del futuro (junto con el vapor). Las celdas solares son una de las fuentes más limpias de energía. Se pueden encontrar en muchos lugares, como calculadoras, satélites, señales de tránsito, boyas e incluso automóviles. La idea de aprovechar la energía solar es bastante atractiva: en un día soleado, cada metro cuadrado de tierra recibe aproximadamente mil watts de energía. Las celdas solares son llamadas también fotovoltaicas; como esta palabra indica, convierten la luz en voltaje, o potencial eléctrico. Están hechas de materiales semiconductores, el más usado de los cuales es el silicio.
El silicio tiene características químicas interesantes, especialmente en su forma cristalina. Un átomo de silicio tiene catorce electrones, organizados en tres capas. Las dos capas más cercanas al centro tienen todos los electrones que pueden albergar. En cambio, la capa exterior tiene solamente cuatro electrones, aunque pueda albergar ocho. El átomo intenta siempre llenar esta capa, lo que produce un intercambio de electrones con los átomos vecinos. Así, por cada electrón, el átomo de silicio puede formar un enlace con otros cuatro átomos semejantes. Así se forma una estructura cristalina (o sea que los átomos están ordenados geométricamente), y como los electrones forman enlaces fuertes entre los átomos, son mantenidos en ese lugar y el material resulta un mal conductor.
Para ser usado en las celdas solares, la estructura cristalina es modificada ligeramente. Por lo general se piensa en impurezas en una forma negativa, pero en el caso de las celdas solares son las impurezas las que ayudan a producir electricidad.
Una parte de la celda consiste en silicio con impurezas de fósforo. Son pocos átomos de fósforo, uno por cada millón de átomos de silicio. El fósforo tiene cinco electrones en su capa exterior, no cuatro como el silicio. En la estructura cristalina, el fósforo provee entonces un electrón sobrante. Si se tratara de silicio puro, al añadir cierta cantidad de energía, por ejemplo en forma de calor, algunos electrones se sueltan de sus átomos y vagarían en el cristal, formando una corriente eléctrica; sin embargo son pocos electrones. Por el contrario, con el fósforo se requiere una menor cantidad de energía, pues uno de sus electrones no está sujeto a los átomos cercanos, y aún así se obtendría una mayor cantidad de electrones libres. Este silicio con impurezas de fósforo se denomina Tipo N, por la prevalencia de electrones libres que lo tornan negativo.
(Los electrones están cargados negativamente y se encuentran en la periferia del átomo; los protones están cargados positivamente y se encuentran en el núcleo; un átomo contiene normalmente la misma cantidad de protones y electrones, y es eléctricamente neutro. Cuando por alguna razón el átomo gana o pierde un electrón, se convierte en un ion, que trata de recobrar su equilibrio eléctrico.)
La otra parte de una celda es silicio tipo P, o positivo. En vez de impurezas de fósforo, contiene impurezas de boro. Los átomos de boro tienen tres electrones en su capa exterior. Mientras que en un cristal de silicio puro los cuatro enlaces posibles están ocupados por los átomos cercanos, en el caso de un átomo de boro los de silicio pueden formar un enlace extra. Ésto crea un vacío, un enlace potencial que tiende a ser llenado por los átomos cercanos. Cuando otro átomo forma así un enlace doble, lo hace rompiendo el enlace que tenía con otro átomo, que a su vez busca otro enlace. Así se forma esencialmente un vacío, que se mueve a través de todo el cristal.
Como la celda fotovoltaica posee un campo eléctrico, los electrones liberados de los átomos de fósforo se precipitan hacia los espacios en las capas externas de los átomos de boro. Este flujo de electrones es entonces una corriente eléctrica. No todos los electrones quedan fijos en los espacios producidos por los átomos de boro; si fuera así, la celda no funcionaría. En cambio los eletrones se encuentran en el punto de unión, lo que les dificulta el pasar al lado positivo de la celda. Eventualmente se llega a un equilibrio y se obtiene un campo eléctrico separando las zonas negativa y positiva. Este campo actúa como un diodo, que permite a los electrones fluir desde el lado positivo al lado negativo, pero no en sentido contrario.
Cuando la luz, en forma de fotones, llega a la celda solar, su energía libera pares electrón-vacío. Cada fotón con energía suficiente liberará exactamente un electrón, lo que resultará en un nuevo espacio. Si esto ocurre lo suficientemente cerca del campo eléctrico, o si el electrón libre y el espacio pasan cerca de su área de influencia, el campo enviará al eletrón al lado negativo y al espacio al lado positivo. Ésto aumenta el desequilibrio eléctrico. Ahora bien, si se crea un paso de corriente externo a la celda, los electrones fluirán por el hacia su lado original. Se obtiene entonces una corriente eléctrica, mientras que con la celda se obtiene voltaje. Con ambas obtenenos energía eléctrica.
Desafortunadamente, estas celdas sólo absorben una cuarta parte, cuando mucho, de la energía solar. Ésto sucede porque la luz del Sol no es monocromática, o sea que está compuesta de luz de muchos colores. Dependiendo del color, los fotones tendrán más energía, o menos. Si tienen poca energía, al llegar a la celda no liberarán electrones ni producirán espacios. Si tienen demasiada energía, sólo la que se necesita para liberar un electrón será utilizada, y el resto se perderá. Por lo tanto sólo una parte de la energía de la luz solar sirve para activar la celda.
Se puede usar un material cuyos átomos requieran menos energía para liberar electrones, pero el rango en el que ésto sucede también determina el voltaje; si el rango es muy bajo, el voltaje también lo será. Otras pérdidas de energía ocurren por la resistencia de los materiales por los que los electrones fluyen, perdiéndose energía en forma de calor.
Éstas son las principales razones por las que las celdas fotovoltaicas no se han transformado aún en la principal fuente de energía (además de la variación de la luz solar dependiendo del clima). Aun queda mucho por investigar y mejorar para obtener la mayor parte de la electricidad que necesitamos directamente del Sol.
El silicio tiene características químicas interesantes, especialmente en su forma cristalina. Un átomo de silicio tiene catorce electrones, organizados en tres capas. Las dos capas más cercanas al centro tienen todos los electrones que pueden albergar. En cambio, la capa exterior tiene solamente cuatro electrones, aunque pueda albergar ocho. El átomo intenta siempre llenar esta capa, lo que produce un intercambio de electrones con los átomos vecinos. Así, por cada electrón, el átomo de silicio puede formar un enlace con otros cuatro átomos semejantes. Así se forma una estructura cristalina (o sea que los átomos están ordenados geométricamente), y como los electrones forman enlaces fuertes entre los átomos, son mantenidos en ese lugar y el material resulta un mal conductor.
Para ser usado en las celdas solares, la estructura cristalina es modificada ligeramente. Por lo general se piensa en impurezas en una forma negativa, pero en el caso de las celdas solares son las impurezas las que ayudan a producir electricidad.
Una parte de la celda consiste en silicio con impurezas de fósforo. Son pocos átomos de fósforo, uno por cada millón de átomos de silicio. El fósforo tiene cinco electrones en su capa exterior, no cuatro como el silicio. En la estructura cristalina, el fósforo provee entonces un electrón sobrante. Si se tratara de silicio puro, al añadir cierta cantidad de energía, por ejemplo en forma de calor, algunos electrones se sueltan de sus átomos y vagarían en el cristal, formando una corriente eléctrica; sin embargo son pocos electrones. Por el contrario, con el fósforo se requiere una menor cantidad de energía, pues uno de sus electrones no está sujeto a los átomos cercanos, y aún así se obtendría una mayor cantidad de electrones libres. Este silicio con impurezas de fósforo se denomina Tipo N, por la prevalencia de electrones libres que lo tornan negativo.
(Los electrones están cargados negativamente y se encuentran en la periferia del átomo; los protones están cargados positivamente y se encuentran en el núcleo; un átomo contiene normalmente la misma cantidad de protones y electrones, y es eléctricamente neutro. Cuando por alguna razón el átomo gana o pierde un electrón, se convierte en un ion, que trata de recobrar su equilibrio eléctrico.)
La otra parte de una celda es silicio tipo P, o positivo. En vez de impurezas de fósforo, contiene impurezas de boro. Los átomos de boro tienen tres electrones en su capa exterior. Mientras que en un cristal de silicio puro los cuatro enlaces posibles están ocupados por los átomos cercanos, en el caso de un átomo de boro los de silicio pueden formar un enlace extra. Ésto crea un vacío, un enlace potencial que tiende a ser llenado por los átomos cercanos. Cuando otro átomo forma así un enlace doble, lo hace rompiendo el enlace que tenía con otro átomo, que a su vez busca otro enlace. Así se forma esencialmente un vacío, que se mueve a través de todo el cristal.
Como la celda fotovoltaica posee un campo eléctrico, los electrones liberados de los átomos de fósforo se precipitan hacia los espacios en las capas externas de los átomos de boro. Este flujo de electrones es entonces una corriente eléctrica. No todos los electrones quedan fijos en los espacios producidos por los átomos de boro; si fuera así, la celda no funcionaría. En cambio los eletrones se encuentran en el punto de unión, lo que les dificulta el pasar al lado positivo de la celda. Eventualmente se llega a un equilibrio y se obtiene un campo eléctrico separando las zonas negativa y positiva. Este campo actúa como un diodo, que permite a los electrones fluir desde el lado positivo al lado negativo, pero no en sentido contrario.
Cuando la luz, en forma de fotones, llega a la celda solar, su energía libera pares electrón-vacío. Cada fotón con energía suficiente liberará exactamente un electrón, lo que resultará en un nuevo espacio. Si esto ocurre lo suficientemente cerca del campo eléctrico, o si el electrón libre y el espacio pasan cerca de su área de influencia, el campo enviará al eletrón al lado negativo y al espacio al lado positivo. Ésto aumenta el desequilibrio eléctrico. Ahora bien, si se crea un paso de corriente externo a la celda, los electrones fluirán por el hacia su lado original. Se obtiene entonces una corriente eléctrica, mientras que con la celda se obtiene voltaje. Con ambas obtenenos energía eléctrica.
Desafortunadamente, estas celdas sólo absorben una cuarta parte, cuando mucho, de la energía solar. Ésto sucede porque la luz del Sol no es monocromática, o sea que está compuesta de luz de muchos colores. Dependiendo del color, los fotones tendrán más energía, o menos. Si tienen poca energía, al llegar a la celda no liberarán electrones ni producirán espacios. Si tienen demasiada energía, sólo la que se necesita para liberar un electrón será utilizada, y el resto se perderá. Por lo tanto sólo una parte de la energía de la luz solar sirve para activar la celda.
Se puede usar un material cuyos átomos requieran menos energía para liberar electrones, pero el rango en el que ésto sucede también determina el voltaje; si el rango es muy bajo, el voltaje también lo será. Otras pérdidas de energía ocurren por la resistencia de los materiales por los que los electrones fluyen, perdiéndose energía en forma de calor.
Éstas son las principales razones por las que las celdas fotovoltaicas no se han transformado aún en la principal fuente de energía (además de la variación de la luz solar dependiendo del clima). Aun queda mucho por investigar y mejorar para obtener la mayor parte de la electricidad que necesitamos directamente del Sol.
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