¿Como funcionan los paneles solares?

Ya sea en una calculadora que funciona con energía solar o en una estación espacial internacional, los paneles solares generan electricidad utilizando los mismos principios de la electrónica que las baterías químicas o los enchufes eléctricos estándar. Con los paneles solares, se trata del flujo libre de electrones a través de un circuito.

Para comprender cómo los paneles solares generan energía eléctrica, podría ser útil hacer un viaje rápido de regreso a la clase de química de la escuela secundaria. El elemento básico de los paneles solares es el mismo elemento que ayudó a crear la revolución informática: el silicio puro. Cuando se elimina el silicio de todas las impurezas, se convierte en una plataforma neutral ideal para la transmisión de electrones. El silicio también tiene algunas propiedades a nivel atómico que lo hacen aún más atractivo para la creación de paneles solares.

Los átomos de silicio tienen espacio para ocho electrones en sus bandas externas, pero solo transportan cuatro en su estado natural. Esto significa que hay espacio para cuatro electrones más. Si un átomo de silicio entra en contacto con otro átomo de silicio, cada uno recibe los cuatro electrones del otro átomo. Esto crea un enlace fuerte, pero no hay carga positiva o negativa porque los ocho electrones satisfacen las necesidades de los átomos. Los átomos de silicio se pueden combinar durante años para dar como resultado una gran pieza de silicio puro. Este material se utiliza para formar las placas de paneles solares.

Aquí es donde la ciencia entra en escena. Dos placas de silicio puro no generarían electricidad en los paneles solares, porque no tienen carga positiva o negativa. Los paneles solares se crean combinando silicio con otros elementos que tienen cargas positivas o negativas.

El fósforo, por ejemplo, tiene cinco electrones para ofrecer a otros átomos. Si el silicio y el fósforo se combinan químicamente, el resultado son ocho electrones estables con un electrón libre adicional a lo largo del viaje. No puede salir, porque está unido a los otros átomos de fósforo, pero el silicio no lo necesita. Por lo tanto, esta nueva placa de silicio / fósforo se considera cargada negativamente.

Para que la electricidad fluya, también se debe crear una carga positiva. Esto se logra en paneles solares combinando silicio con un elemento como el boro, que solo tiene tres electrones para ofrecer. A una placa de silicio / boro todavía le queda un lugar para otro electrón. Esto significa que la placa tiene una carga positiva. Las dos placas se colocan juntas en paneles solares, con cables conductores que se extienden entre ellas.

Con las dos placas en su lugar, ahora es el momento de incorporar el aspecto 'solar' de los paneles solares. La luz solar natural envía muchas partículas diferentes de energía, pero la que más nos interesa se llama fotón. Un fotón esencialmente actúa como un martillo en movimiento. Cuando las placas negativas de las células solares apuntan en un ángulo adecuado al sol, los fotones bombardean los átomos de silicio / fósforo.

Finalmente, el noveno electrón, que quiere ser libre de todos modos, es eliminado del anillo exterior. Este electrón no permanece libre por mucho tiempo, ya que la placa positiva de silicio / boro lo atrae hacia el espacio abierto en su propia banda externa. A medida que los fotones del sol rompen más electrones, se genera electricidad. La electricidad generada por una célula solar no es muy impresionante, pero cuando todos los cables conductores extraen los electrones libres de las placas, hay suficiente electricidad para alimentar motores de bajo amperaje u otros componentes electrónicos. Los electrones que no se usan o pierden en el aire se devuelven a la placa negativa y todo el proceso comienza nuevamente.

Uno de los principales problemas con el uso de paneles solares es la pequeña cantidad de electricidad que generan en comparación con su tamaño. Una calculadora podría requerir solo una sola célula solar, pero un automóvil con energía solar requeriría varios miles. Si el ángulo de los paneles solares se modifica incluso ligeramente, la eficiencia puede caer un 50 por ciento.

Parte de la energía de los paneles solares se puede almacenar en baterías químicas, pero por lo general no hay mucho exceso de energía en primer lugar. La misma luz solar que proporciona fotones también proporciona ondas ultravioletas e infrarrojas más destructivas, que eventualmente hacen que los paneles se degraden físicamente. Los paneles también deben estar expuestos a elementos climáticos destructivos, que también pueden afectar seriamente la eficiencia.

Muchas fuentes también se refieren a los paneles solares como células fotovoltaicas, que hace referencia a la importancia de la luz (fotos) en la generación de voltaje eléctrico. El desafío para los futuros científicos será crear paneles solares más eficientes que sean lo suficientemente pequeños para aplicaciones prácticas y lo suficientemente potentes como para crear un exceso de energía para momentos en que la luz solar no esté disponible.