Las celdas solares o celdas fotovoltaicas son dispositivos que convierten la luz solar en electricidad a través del efecto fotovoltaico. Actualmente, son fundamentales en la revolución energética del siglo XXI como fuente de energía renovable, sostenible, limpia y cada vez más asequible.
El efecto fotovoltaico fue descubierto por Alexandre Edmond Becquerel en 1839 y es la base de la tecnología fotovoltaica moderna. Este efecto ocurre en un material semiconductor que genera corriente eléctrica cuando es expuesto a la luz, un proceso que involucra varias etapas de interacción entre la luz solar y los electrones del material.
Cuando la luz solar incide en la superficie de una celda solar, los fotones, que son partículas de luz, son absorbidos por el material semiconductor. Cada fotón tiene una cantidad de energía que depende de su longitud de onda. Si la energía del fotón es igual o superior a la energía de la banda prohibida del semiconductor, el fotón es absorbido, lo que excita y mueve un electrón desde la banda de valencia a la banda de conducción.
Este proceso, en el que un electrón en el semiconductor recibe suficiente energía para liberarse de su estado ligado en el átomo, crea un par electrón-hueco. El electrón libre se mueve a la banda de conducción, mientras que el hueco, que representa una carga positiva móvil, queda en la banda de valencia.
Dentro de la celda solar, hay una unión p-n entre dos tipos de semiconductores: el tipo p, rico en huecos, y el tipo n, rico en electrones. Esta unión crea un campo eléctrico interno en la interfaz entre las regiones tipo p y n. Este campo separa los electrones libres y los huecos generados por la absorción de fotones, empujando los electrones hacia el lado n y los huecos hacia el lado p.
Separados los electrones y los huecos, estos se dirigen a los contactos eléctricos en las superficies de la celda solar. Los electrones se recogen en el electrodo negativo, generalmente en el lado n, mientras que los huecos se recogen en el electrodo positivo, en el lado p. Esta separación y movimiento generan una corriente eléctrica continua.
La separación de cargas produce un voltaje entre los dos electrodos. Cuando se conecta un circuito externo entre los electrodos, los electrones fluyen a través de dicho circuito, generando una corriente eléctrica utilizable. Este flujo de electrones produce energía eléctrica que puede ser utilizada para alimentar dispositivos eléctricos, almacenarse en baterías o transformarse en corriente alterna a través de un convertidor, permitiendo su uso en la red eléctrica.
Por lo tanto, podemos concluir que la eficiencia de las celdas solares depende de varios factores. La energía de la banda prohibida del semiconductor es crucial: si la energía del fotón es menor que esta banda, no se genera un par electrón-hueco; si es mayor, el exceso se disipa como calor, reduciendo la eficiencia. Además, parte de la luz puede reflejarse, disminuyendo la cantidad de fotones absorbidos, aunque se utilizan capas antirreflejantes para mitigar esta pérdida. La recombinación de electrones y huecos antes de ser recolectados también reduce la eficiencia, y las altas temperaturas pueden incrementar esta recombinación, afectando negativamente el rendimiento.
Considero que a pesar de que actualmente las celdas solares presentan algunas deficiencias, en la próxima década veremos avances significativos en este tema, ya que son candidatos ideales en la transición tecnológica hacia fuentes de energía más sostenibles y limpias.
Miguel Amado Briseño
Centro de Investigación en Química Aplicada