Energía solar fotovoltaica y celda solar fotovoltaica

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Antes de definir la energía solar fotovoltaica aclaro que este es un artículo netamente técnico de nivel introductorio. La idea es proveer un concepto de la celda solar fotovoltaica que permita a las personas interesadas en trabajar con estos dispositivos comprender de manera más fácil todo lo relacionado con los diseños, cálculos y desarrollo que presento en los cursos, manuales y otros artículos de este blog.

La energía solar fotovoltaica es la energía que se obtiene de la conversión de la energía electromagnética (luz) proveniente del Sol en electricidad, a través de ciertos dispositivos electrónicos llamados celdas que utilizan como principio de funcionamiento el fenómeno físico denominado efecto fotovoltaico.

Esta es una definición muy general, meramente técnica que no arroja mucha luz sobre los mecanismos de funcionamiento ni de los pricipios técnicos sobre sobre los que se basan estas tecnologías. Para poder definir la energía solar fotovoltaica sin ningún tipo de ambigüedades se requiere primero conocer varios conceptos fundamentales que son: (i) el concepto de energía que lo pueden revisar en el artículo ¿Qué es la energía?; (ii) definir que son las celdas y (iii) definir qué es el efecto fotovoltaico.

Qué son las celdas solares fotovoltaicas

Primero, para poder definir lo que es una celda solar fotovoltaica necesitamos definir claramente el concepto de qué es una celda. Se utiliza el nombre de celda como una abreviación de su verdadera denominación que es “celda de potencia”. Es decir el nombre real de estos dispositivos es “Celdas de potencia solar fotovoltaica”. Una celda de potencia es un dispositivo en el que a través de algún mecanismo se producen transformaciones energéticas internas que son capaces de generar energía útil (exergía) de manera constante. Una celda de potencia está generando energía, que se mide en joules (J), pero lo hace cada segundo (s), es decir produce J/s y esto es lo que justamente se denomina potencia. Pero, en el lenguaje científico a los J/s se les llama vatio (W) que es finalmente la unidad de potencia con la que identificamos casi todas las maquinarias eléctricas y mecánicas. En cuanto a la potencia suelen surgir muchas confusiones porque el J/s o vatio tiene muchos sobrenombres, que vienen de los diferentes sistemas métricos que se utilizan actualmente en el planeta, tales como caballos de fuerza o hp; ergios ; BTU/h, caballos de vapor; kilográmetro, etc. (Ver Wikipedia para conversiones entre unidades). Así en las maquinarias eléctricas o mecánicas la potencia se expresa de diferentes formas como por ejemplo: la bomba de agua de 3 hp, o el motor eléctrico de 1500 W, o el aire acondicionado de 12000 BTU/h.

Así el concepto de una celda de potencia es universal y se aplica a todos los dispositivos que son capaces de generar potencia utilizando algún principio, mecanismo físico o materia prima. Hoy día podemos generar potencias que provienen de celdas eléctricas, celdas mecánicas, celdas acústica, etc. Por ello es que escuchamos hablar de celdas de combustibles, celdas galvanométricas, celdas magnéticas, celdas eléctrolíticas, celdas de hidrógeno, y finalmente de celdas solares fotovoltaicas. Básicmanete, si usted logra producir potencia, por ejemplo a partir de una simple cebolla, ese sistema se llama una “celda de cebolla”. Simplemente todos son dispositivos que generan potencia a través de algún artilugio.

Una vez que hemos definido lo que significa una celda podemos tratar de definir lo que es una celda solar fotovoltaica. Una celda solar fotovoltaica es un dispositivo capaz de producir potencia eléctrica utilizando como principio básico de funcionamiento el efecto fotovoltaico. Nuevamente, esta no es una definición clara porque ahora necesitamos saber qué es el efecto fotovoltaico.

¿Qué es el efecto fotovoltaico?

Primero debemos recordar que la potencia eléctrica (P) es el producto del voltaje (V) por la corriente (I): es decir P = V x I. Esto significa que para poder generar potencia eléctrica se tiene que producir de manera simultánea corriente y voltaje. Si usted tiene un sistema que produce corriente pero no genera voltaje entonces ese sistema no es una celda porque la potencia es igual a cero (corriente multiplicado por cero voltaje es igual a cero). De igual forma si usted tiene un sistema que genera miles de voltios pero no genera corriente, la potencia total es igual a cero; tampoco es una celda. Se requiere que se generen simultáneamente corriente y voltaje.

El efecto fotovoltaico es un fenómeno físico que involucra la generación simultánea de corriente y de voltaje en un dispositivo electrónico cuando este es iluminado.

Desde hace mucho tiempo sabemos que la luz es capaz de generar ciertas respuesta en los materiales con los cuales interactúa. Estas respuestas son muy diversas y de allí que el efecto fotovoltaico, cuando no se entiende bien su definición, suele confundirse muchas veces con otros efectos físicos similares tales como el efecto fotoeléctrico, fotocorriente, fotovoltajes, fotoconductividad, entre otros. Pero en el caso del efecto fotovoltaico es el único donde se obtiene una fotocorriente y un fotovoltaje en el dispositivo de manera simultánea; con lo cual es posible construir una celda de potencia, en este caso una celda fotovoltaica.

Una característica del efecto fotovoltaico es que sólo ocurre en dispositivos electrónicos que presentan barreras de potencial, es decir son dispositivos electrónicos no óhmicos. Un dispositivo óhmico es aquél que cumple con la ley de Ohm y por tanto, una gráfica de la dependencia de la corriente con el voltaje, que es lo que se denomina característica corriente-voltaje del dispositivo, es una línea recta. En el caso de los dispositivos no óhmicos la característica corriente-voltaje no es una línea recta sino que suele ser una curva.

caracterisitica corriente voltaje
Figura 1: La línea recta es un dispositivo óhmico y la curva en rojo es un dispositivo no óhmico

Para determinar la característica corriente-voltaje de un dispositivo sólo hay que suministrar un voltaje y medir la corriente resultante. Al realizar la gráfica de estos resultados se obtienen o una línea recta o una curva. Sí es una línea recta el dispositivo es óhmico, si se obtiene una curva el dispositivo es no óhmico. (Ver figura 1)

Pero no basta con ser un dispositivo no-óhmico para obtener el efecto fotovoltaico. Sólo algunos dispositivos, de acuerdo a ciertas reglas cuánticas de transiciones permitidas en el diseño de las estructuras electrónicas, presentan el efecto fotovoltaico. Para saber si un dispositivo presenta o no el efecto fotovoltaico lo que hay que hacer son dos medidas de la característica corriente-voltaje; una medida en total oscuridad y otra medida cuando el dispositivo está iluminado. Cuando está presente el efecto fotovoltaico se produce un cambio notable en la gráfica de la característica corriente-voltaje iluminada en relación con la que no está iluminada. En cualquier caso debe haber siempre un desplazamiento, tanto de voltaje como de corriente, de la caracteristica corriente-voltaje cuando el dispositivo está iluminado. Si el cambio que se produce sólo es en voltaje o corriente, esto no es efecto fotovoltaico y puede ser simplemente fotoconducitivdad, fotocorriente u otros efectos físicos.

efecto fotovoltaico
Figura 2: Característica corriente voltaje que muestra el efecto fotovoltaico

Cuando se produce el efecto fotovoltaico el desplazamiento de la curva es notorio y de hecho, el área que se crea debajo de la curva desplazada es proporcional a la potencia generada por el dispositivo fotovoltaico, tal como se muestra en la figura 2.

Así como conclusión podemos establecer que la energía solar fotovoltaica no es más que la energía eléctrica producida por un dispositivo no óhmico que presenta el efecto fotovoltaico cuando es iluminado con la luz del Sol, y cuya potencia eléctrica es proporcional al área desplazada en la característica corriente-voltaje del dispositivo iluminado.

Tal vez lo más importante de toda esta historia es que para entender claramente que es una celda solar fotovoltaica sólo tienes que saber, y siempre concerbirla así, que es un dispositivo que siempre muestra una característica corriente-voltaje que es una curva como la que se oberva en la figura 2 cuando este está iluminado. Si logras visualirzarlo de este modo te aseguro que podrás comprender todo lo relacionado con las celdas solares fotovoltaicas con extraordinaria facilidad.

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