Una celda solar es un dispositivo electrónico que capta la luz solar y la convierte directamente en electricidad. Es del tamaño de la palma de la mano de un adulto, tiene forma octogonal y es de color negro azulado.
Las celdas solares suelen agruparse para formar unidades más grandes llamadas módulos solares, que a su vez se acoplan en unidades aún más grandes conocidas como paneles solares las placas de color negro o azul que se ven en las casas, normalmente con varios cientos de células solares individuales por techo o se cortan en chips para proporcionar energía a pequeños aparatos como calculadoras de bolsillo y relojes digitales.
Al igual que las celdas de una batería, las celdas de un panel solar están diseñadas para generar electricidad, pero mientras que las celdas de una batería producen electricidad a partir de sustancias químicas, las celdas de un panel solar generan energía capturando la luz solar.
A veces se denominan celdas fotovoltaicas porque utilizan la luz solar («foto» viene de la palabra griega para luz) para producir electricidad (la palabra «voltaica» es una referencia al pionero italiano de la electricidad Alessandro Volta, 1745-1827).
Podemos pensar que la luz está formada por diminutas partículas llamadas fotones, por lo que un rayo de luz solar es como una manguera amarilla brillante que dispara trillones y trillones de fotones hacia nosotros. Si se coloca una celda solar en su camino, ésta atrapa estos fotones energéticos y los convierte en un flujo de electrones, una corriente eléctrica.
Cada celda genera unos pocos voltios de electricidad, por lo que el trabajo de un panel solar es combinar la energía producida por muchas celdas para crear una cantidad útil de corriente eléctrica y voltaje.
Prácticamente todas las celdas solares actuales están hechas de láminas de silicio (uno de los elementos químicos más comunes de la Tierra, que se encuentra en la arena), aunque, como veremos en breve, también se pueden utilizar otros materiales (o en su lugar).
Cuando la luz del sol brilla sobre una celda solar, la energía que transporta hace salir electrones del silicio. Éstos pueden ser forzados a fluir por un circuito eléctrico y alimentar cualquier cosa que funcione con electricidad. Es una explicación bastante simplificada.
¿Cómo se fabrican las células solares?
El silicio es el material con el que se fabrican los transistores (pequeños interruptores) de los microchips, y las células solares funcionan de forma similar. El silicio es un tipo de material llamado semiconductor.
Algunos materiales, sobre todo los metales, permiten que la electricidad fluya a través de ellos con gran facilidad; se denominan conductores. Otros materiales, como los plásticos y la madera, no permiten que la electricidad fluya a través de ellos; se denominan aislantes.
Los semiconductores, como el silicio, no son ni conductores ni aislantes: normalmente no conducen la electricidad, pero en determinadas circunstancias podemos hacer que lo hagan.
Una célula solar es un sándwich de dos capas diferentes de silicio que han sido especialmente tratadas o dotadas para que la electricidad fluya a través de ellas de una manera determinada. La capa inferior está dotada de un número ligeramente inferior de electrones.
Se llama silicio de tipo p o positivo (porque los electrones están cargados negativamente y esta capa tiene muy pocos). La capa superior está dopada en sentido contrario para que tenga demasiados electrones. Se llama silicio de tipo n o negativo.
Cuando colocamos una capa de silicio de tipo n sobre una capa de silicio de tipo p, se crea una barrera en la unión de los dos materiales (la importantísima frontera donde se encuentran los dos tipos de silicio).
Los electrones no pueden cruzar la barrera, por lo que, aunque conectemos este sándwich de silicio a una linterna, no fluirá ninguna corriente: la bombilla no se encenderá. Pero si hacemos brillar la luz sobre el sándwich, ocurre algo extraordinario. Podemos pensar en la luz como una corriente de «partículas de luz» energéticas llamadas fotones.
Cuando los fotones entran en nuestro sándwich, ceden su energía a los átomos del silicio. La energía entrante expulsa a los electrones de la capa inferior, de tipo p, de modo que saltan a través de la barrera hacia la capa de tipo n que está por encima y fluyen alrededor del circuito. Cuanta más luz brille, más electrones saltarán y más corriente fluirá.
¿Cómo funcionan las células solares?
Una célula solar es un sándwich de silicio de tipo n (azul) y silicio de tipo p (rojo). Genera electricidad utilizando la luz solar para hacer que los electrones salten a través de la unión entre los diferentes tipos de silicio:
- Cuando la luz solar incide sobre la célula, los fotones (partículas de luz) bombardean la superficie superior.
- Los fotones (manchas amarillas) transportan su energía hacia abajo a través de la célula.
- Los fotones ceden su energía a los electrones (manchas verdes) de la capa inferior, de tipo p.
- Los electrones utilizan esta energía para saltar a través de la barrera hacia la capa superior de tipo n y salir al circuito.
- Al fluir por el circuito, los electrones hacen que la lámpara se ilumine.
¿Cuánta energía podemos producir con células solares?
En teoría, una cantidad enorme. Olvidemos por el momento las células solares y consideremos la luz solar pura. Hasta 1.000 vatios de energía solar bruta llegan a cada metro cuadrado de la Tierra que apunta directamente al Sol. Esa es la potencia teórica de la luz solar directa del mediodía en un día sin nubes, con los rayos solares disparando perpendicularmente a la superficie de la Tierra y dando la máxima iluminación o insolación, como se conoce técnicamente.
En la práctica, una vez corregida la inclinación del planeta y la hora del día, con una placa sencilla podemos obtener son unos 4kWh al día. Dependiendo de si te encuentras en el norte o el sur de España.
Si multiplicamos la producción de todo un año, obtenemos entre 1460 kWh por placa solar. Las regiones más cálidas tienen claramente un potencial solar mucho mayor: Oriente Medio, por ejemplo, recibe cada año entre un 50% y un 100% más de energía solar útil que Europa.
Desgraciadamente, las células solares típicas sólo tienen un 15% de eficiencia, por lo que sólo podemos capturar una fracción de esta energía teórica: quizá entre 4 y 10 vatios por metro cuadrado. Por eso los paneles solares tienen que ser tan grandes: la cantidad de energía que se puede producir está, obviamente, directamente relacionada con la superficie que se puede cubrir con células.
Una sola célula solar (del tamaño aproximado de un disco compacto) puede generar entre 3 y 4,5 vatios; un módulo solar típico formado por una matriz de unas 40 células (5 filas de 8 células) podría producir entre 100 y 300 vatios; varios paneles solares, cada uno de ellos formado por unos 3 ó 4 módulos, podrían generar, por tanto, un máximo absoluto de varios kilovatios (probablemente lo suficiente para satisfacer las necesidades energéticas máximas de una vivienda).
