Los sistemas de producción de electricidad denominados sistemas fotovoltáicos posibilitan la transformación de la energía que contiene la radiación solar en energía eléctrica. Estos sistemas se caracterizan por un grado de autonomía respecto al clima, lugar geográfico y otras condiciones que pocas fuentes energéticas pueden alcanzar. Las localizaciones geográficas caracterizadas por recibir un alto nivel de radiación solar son las más propicias para su utilización.
Frente a las energías convencionales, la energía solar fotovoltáica presenta la característica de ser una fuente ilimitada de energía, por tratarse de energía renovable. Se caracteriza además por su carácter "ubicuo", pudiendo ser aprovechada en cualquier parte de la superficie del planeta (aunque, obviamente, no con la misma intensidad en todos los lugares ni en todo momento). Esta ubicuidad posibilita un amplio rango de aplicaciones (limitado apenas por la potencia necesaria).
Las fuentes de energía tienen impactos medioambientales inevitables. Cada vez son más claros estos efectos en el planeta. Lluvia ácida, efecto invernadero, residuos radioactivos, accidentes nucleares...La conciencia mayor que existe - debido a que se conoce cada día más - con respecto a estos efectos nocivos y la mayor sensibilidad social - que se han generado específicamente gracias a los movimientos ecológicos, etc. - son factores que hacen que esta posibilidad sea una alternativa cada vez más viable y atractiva frente a otras fuentes de energía. Esto no es una teoría. Un ejemplo ilustrador es el caso de EE.UU que ha destinado la mayor parte de su presupuesto para investigaciones energéticas a proyectos relacionados con la energía fotovoltáica. Si se sigue este nivel de investigación y esta cantidad de proyectos, es claro que la energía fotovoltáica jugará un rol clave en la generación de energía en Estados Unidos, especialmente en sus zonas más cálidas, como es por ejemplo Florida (que es uno de los lugares en Estados Unidos donde más estudios con respecto a este tipo de energía se han realizado).
Breve historia de los sistemas fotovoltáicos
Las investigaciones iniciales en este campo se enfocaron al desarrollo de productos para aplicaciones espaciales, siendo su primera utilización exitosa en la fabricación de satélites artificiales. Sus características principales las hicieron ideales para el suministro de energía en el espacio exterior.
Las celdas fueron comercializadas por primera vez en 1955. Pero sólo a comienzos de los ochenta, comenzaron a establecerse compañías fotovoltáicas. Fue en esta década también que en Estados Unidos, el National Renewable Energy Laboratory (NREL) estableció los métodos y estándares de prueba y funcionamiento para los módulos fotovoltáicos. Estas actividades ayudaron a las compañías a reducir sus costos y mejorar su funcionamiento, eficiencia y confiabilidad.
Cómo se hacen los convertidores fotovoltáicos
Las celdas fotovoltáicas se alinean en paneles fotovoltaicos y se fabrican con Silicio. Este elemento - el segundo más abundante en la corteza terrestre - es el que permite que se de el proceso de generación de electricidad. La brecha de energía por la que se calcula la eficiencia teórica de conversión de materiales voltáicos, determina la absorción espectral característica del material en la región de absorción fundamental. El Silicio tiene un corte de absorción de 1.2u con fuerte aumento en el coeficiente de absorción hacia longitudes de onda más larga. La región fundamental es la región sensible de la célula de Sicilio.
Al dopar el Silicio puro con impurezas de ciertos elementos químicos, obtiene propiedades eléctricas únicas en presencia de la luz solar. ¿Cómo se dopa el Silicio? Un diodo está formado - como su nombre lo indica - por dos partes: una negativa y la otra positiva. En la parte positiva, al material le faltan electrones. En la parte negativa, le sobran. Cuando las dos partes se unen, se le llama diodo semiconductor. Es semiconductor (ver la definición teórica de este concepto, que se ubica antes...) en el sentido de que la corriente eléctrica sólo puede circular en un sentido. Además, a diferencia de los materiales conductores, al aumentar la temperatura, el rendimiento también aumenta. El Silicio tiene cuatro electrones. Sólo se puede llegar a tener "un Silicio negativo y otro positivo" si lo dopamos con materiales contaminantes. Así, por ejemplo, si le introducimos fósforo a su composición, obtendremos un Silicio negativo, pues conseguiriamos un electron demás cada vez (si consideramos que el fósforo tiene 5 electrones en la última capa). En cambio, si le introducimos aluminio - tres electrones en la última capa - tendremos un silicio positivo.
Cómo dijimos, sólo dopándo el Silicio, tiene las características adecuadas. Esto ocurre porque las propiedades químicas de los elementos están determinadas por el número de electrones en su última capa y por los electrones que faltan para completarla. El Sicilio, como también ya dijimos, posee cuatro electrones y faltan otros cuatro para completarla. Cuando los átomos de Sicilio se unen a otros, compartiéndo los electrones de las últimas capas con la de átomos vecinos y formando enlaces covalentes, estas combinación dan lugar a una estructura cristalina. Esta es la composición de las células fotovoltáicas. Ellas miden entre 7 y 9 centímetros y son delgadas y de forma rectangular o circular.
El Silicio es procesado - tras una elaboración compleja - y se forma con él un cilindro cristalino y sólido. Se trata de un cristal semiconductor muy puro. Este cilindro se corta, a su vez, en finas rodajas que luego siguen un tratamiento químico antes de convertirse en células fotovoltáicas. Luego se conectan alambres a la superficie de la célula: Una al lado cargado positivamente y otra al lado negativo. Así se completa el circuito eléctrico. Cuando la célula se expone a la luz, la electricidad fluye a través del circuito. Para mejorar la eficiencia y la capacidad del sistema, se pueden conectar - también mediante alambres - varias células en una serie. A esto se le llama módulo (module) y también se pueden conectar, a su vez, varios módulos. Mientras más módulos se sumen, mayor es la electricidad que se puede generar.
Las células funcionan gracias a lo que se denomina "efecto fotovoltáico" (foto viene de luz; voltáico de electricidad). Al golpear el sol la superficie de la célula, libera electrones del átomo del material. Los electrones, excitados por la luz, se mueven a través del Sicilio. Ciertos elementos químicos agregados a la composición del Silicio permiten establecer la ruta que seguirán los electrones.
Ese es el fenómeno fotovoltáico y su consecuencia es la corriente eléctrica directa. Esta corriente puede ser almacenada en "acumuladores" para, si se desea, pueda ser utilizada fuera de las horas de luz. Cada célula (o celda) es capaz de generar de 2 a 4 Amperios, a un voltaje de 0,46 a 0,48 V utilizando como materia prima sólo radiaciones solares. Además, admiten tanto la radiación directa como la difusa, lo que quiere decir que se puede conseguir energía eléctricas incluso en los días nublados. Por lo tanto, es bastante eficiente. Además es relativamente simple- las celdas fotovoltáicas no tienen partes móviles, no es necesario su mantenimiento y tienen una vida útil de entre 20 y 30 años - y, sin embargo, su fabricación requiere de una tecnología sofisticada que solamente está disponible en algunos países como Estados Unidos, Alemania, Japón y España. Es por esto que, pese a que la conversión directa de la parte visible del espectro solar es quizás la vía más ordenada y estética de todas las que existen para el aprovechamiento de la Energía Solar, desafortunadamente esta tecnología no ha podido desarrollarse por completo.