¿Cómo funcionan las células solares fotovoltaicas?

La energía solar vive mejores tiempos, cada día se instalan miles de nuevos paneles solares alrededor del mundo, generando electricidad limpia y gratuita. Pero, ¿sabes cómo funcionan las células o celdas solares? ¿Cómo son capaces de generar electricidad? Te lo contamos.

El sol es la energía más accesible en la tierra, pero para poder convertirla en electricidad necesitamos un elemento también muy abundante, la arena.

Es necesario convertir la arena a cristales de silicio con una pureza del 99,999 % si queremos usarla en la fabricación de células solares fotovoltaicas. Para lograrlo, la arena tiene que someterse a un complejo proceso de purificación para conseguir silicio en bruto (98% pureza).

Este silicio en bruto se convierte en una forma compuesta de silicio gaseoso, después se mezcla con hidrógeno para obtener silicio policristalino altamente purificado. El proceso se complica un poco más en caso de querer obtener silicio monocristalino, más caro de producir aunque también de mejor rendimiento.

Este silicio policristalino o monocristalino se moldea para fabricar obleas. Estas obleas son el núcleo central de las células solares fotovoltaicas.

En esta estructura los átomos de silicio están unidos entre si. Sabemos que los electrones dentro de esta estructura no tienen libertad de movimiento.

Si inyectamos a la estructura átomos de fósforo de 5 electrones de valencia, dopaje tipo N, cuando la luz solar alcanza a los electrones, estos ganan energía fotónica, que los hace capaces de moverse libremente. Sin embargo, este movimiento aleatorio de los electrones no produce ninguna corriente a través de la carga.

Para que los electrones se muevan unidireccionalmente, se necesita una fuerza motriz. Una forma sencilla de producir esta fuerza motriz es una unión P-N.

¿Cómo una unión P-N produce la fuerza motriz?

Si inyectamos boro con 3 electrones de valencia en el silicio puro habrá un agujero para cada átomo. A esto se le denomina dopaje tipo P. Si los dos tipos de materiales dopados se unen, algunos electrones del lado N irán a la región P y llenarán los agujeros disponibles. Así se forma una región de agotamiento, donde no hay electrones libres ni agujeros.

Gracias a la migración de electrones, el lado N se carga positivamente y el lado P se carga negativamente, lo que formará un campo eléctrico entre las cargas. Este campo eléctrico produce la fuerza motriz necesaria.

Cuando la luz incide sobre la región N, penetra hasta la región de agotamiento, donde se producen electrones y agujeros que son repelidos hacia la región N y P respectivamente gracias al campo eléctrico. La concentración de electrones en la región N y de agujeros en la región P se vuelven tan altos que se producirá una diferencia de potencial entre ellos.

Funcionamiento célula solar. Imagen: Studio BKK Shutterstock

Ahora si conectamos cualquier carga entre estas dos regiones, los electrones comenzarán a fluir a través de la carga, combinándose con los agujeros de la región P, produciendo electricidad.

En las células solares comerciales, para aumentar el rendimiento energético, la capa N es muy fina y está muy copada, mientras que la capa inferior P es más gruesa y está escasamente dopada, lo que aumenta el grosor de la región de agotamiento y así la generación de electricidad.

Partes panel solar. Imagen: Alejo Miranda Shutterstock

Las células solares forman paneles solares conectando un número determinado de ellas tanto en serie como en paralelo, a través de uniones de cobre.