Del fotón al voltio: ¿Cómo funciona una célula solar?
Introducción: Energía solar en el semiconductor
Ya sea instalación solar, módulo solar o célula solar: todos estos términos contienen la palabra "solar", derivada del latín "solaris", que significa "relativo al sol". Los cálidos rayos de nuestro astro ofrecen, además de su función vital, una enorme utilidad técnica.
El núcleo de toda instalación fotovoltaica es siempre la misma idea: la energía luminosa se convierte directamente en energía eléctrica. Esto funciona porque semiconductores especiales como el silicio pueden liberar electrones cuando incide luz sobre ellos. En este artículo descubrirá cómo funciona exactamente este proceso.
El efecto fotovoltaico: Los fundamentos
En el efecto fotovoltaico, bajo determinadas condiciones del material, los fotones incidentes (partículas de luz) expulsan electrones de sus órbitas atómicas. Pero ¿cómo se convierte la luz en electricidad utilizable? Aquí entra en juego la unión P-N.
¿Qué es una unión P-N?
La unión P-N describe una zona fronteriza entre dos materiales semiconductores diferentes con propiedades conductoras especiales. Esta zona fronteriza se crea mediante el llamado dopaje – la introducción controlada de átomos extraños en el silicio:
- Silicio dopado P (p. ej., con boro): Tiene huecos para electrones, actúa como lado positivo (átomos aceptores)
- Silicio dopado N (p. ej., con fósforo): Tiene electrones libres, actúa como lado negativo (átomos donadores)
- Zona de carga espacial: En la frontera entre las regiones P y N se forma un campo eléctrico responsable de la separación de cargas
Los electrones libres en la frontera del elemento N migran hacia los huecos del elemento P. Esto genera el campo eléctrico en la zona fronteriza.
Del fotón al voltaje: El proceso paso a paso
El proceso completo del fotón al voltio se puede explicar mediante los siguientes pasos:
- El fotón golpea la zona de unión: Una partícula de luz alcanza la unión P-N o su proximidad
- El electrón se libera: El fotón transfiere su energía a un electrón, que se separa del átomo dejando un "hueco" cargado positivamente
- Separación de cargas: El campo eléctrico de la zona de carga espacial impulsa los electrones hacia el lado N y los huecos hacia el lado P
- Se genera voltaje: Mediante la separación espacial de las cargas se acumula un voltaje eléctrico utilizable
- Fluye la corriente: Cuando se conecta un consumidor, fluye corriente eléctrica – se pueden alimentar electrodomésticos, bombas de calor u otras aplicaciones
Einstein y el efecto fotoeléctrico
Lo que muchos desconocen: Albert Einstein no recibió el Premio Nobel por la famosa teoría de la relatividad con la fórmula E=mc², sino por la explicación del efecto fotoeléctrico en 1921. El efecto fotovoltaico es un caso especial del efecto fotoeléctrico.
Sin los descubrimientos de Einstein, tecnologías modernas como los smartphones, Internet, los microchips y también las instalaciones fotovoltaicas no habrían sido posibles.
Indicadores importantes de una célula solar
Rendimiento del módulo
El rendimiento indica qué proporción de la energía solar irradiada se convierte realmente en energía eléctrica:
- Módulos monocristalinos: 18–24% (mayor rendimiento)
- Módulos policristalinos: 15–20% (buena relación calidad-precio)
- Módulos de capa fina: 8–15% (integración sencilla, aplicaciones flexibles)
- Células experimentales: Hasta 47% en laboratorio (células tándem)
Para comparar: una bombilla incandescente antigua solo convierte aproximadamente el 5% de la energía en luz – el resto se pierde como calor.
Coeficiente de temperatura
El aumento de la temperatura del módulo reduce el voltaje y, por tanto, la potencia. Valores típicos:
- Con un aumento de temperatura de 1°C, la potencia disminuye aprox. un 0,3–0,5%
- A 40°C de temperatura del módulo en lugar de 25°C (condición estándar), un módulo ya pierde un 4,5–7,5% de potencia
Sombreado y diodos de bypass
El sombreado parcial de un módulo reduce significativamente la corriente – no solo proporcionalmente a la superficie sombreada. Los diodos de bypass limitan estas pérdidas de producción al puentear las células sombreadas.
Resumen de materiales
| Tecnología | Rendimiento | Ventajas | Desventajas |
|---|---|---|---|
| Monocristalino | 18–24% | Mayor eficiencia, larga vida útil | Costes más elevados |
| Policristalino | 15–20% | Más económico, técnica probada | Eficiencia algo menor |
| Capa fina | 8–15% | Flexible, ligero, resistente al sombreado parcial | Menor rendimiento |
Conclusión
En resumen: La célula solar es el corazón de toda instalación fotovoltaica. Mediante el efecto fotovoltaico y la ingeniosa estructura de semiconductores dopados, la luz solar se convierte directamente en corriente eléctrica.
Continúa en: En el siguiente artículo Estructura de un sistema FV: Del módulo a la inyección a red descubrirá cómo las células individuales se convierten en instalaciones solares completas y cómo llega la electricidad al enchufe.
Fuentes y lecturas adicionales
- Elektrokompendium: Halbleiter und Dotierung
- LeifiPhysik: Silizium-Solarzellen
- HTW Berlin: Effizienzleitfaden für PV-Speichersysteme
- Solarwissen: Dotierung einfach erklärt
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