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¿Cómo funcionan las células solares?

En realidad, solo hay dos puntos finales posibles para la producción de energía humana, y ambos son fusión. O encontramos una manera de crear reacciones de fusión diminutas y controladas aquí en la Tierra (energía de fusión) o encontramos una manera de recolectar de manera útil una buena parte de la energía que ya se está liberando desde el enorme reactor de fusión que nuestro sistema solar ha construido (solar poder). Lo bueno de la opción solar es que puede producirse de manera incremental, dándonos una utilidad parcial mientras nos acercamos cada vez más al punto de inflexión, cuando podría satisfacer la mayoría de nuestras necesidades eléctricas. Pero, ¿qué es una célula solar, el componente fundamentalmente importante de la energía solar, y cómo funciona?

Una célula solar, también llamada célula fotovoltaica, se define como cualquier dispositivo que puede capturar parte de la energía de un fotón de luz y pasar esa energía a un dispositivo o medio de almacenamiento en forma de electricidad. No toda la energía solar es de naturaleza fotovoltaica, ya que algunas tecnologías solares recogen el calor de los fotones absorbidos, en lugar de su energía, directamente. Aún así, con una definición tan general, el término fotovoltaica abarca una amplia variedad de tecnologías diferentes.

Fabricación de paneles solares

Personas con trajes de conejito que fabrican paneles solares.

Sin embargo, todos ellos tienen una cosa en común: utilizan la energía de un fotón para excitar electrones en el material semiconductor de la célula desde un nivel de energía no conductor a uno conductor. Lo que hace que este complejo sea complejo es que no todos los fotones son iguales. La luz llega como una amalgama inútil de longitudes de onda y niveles de energía, y ningún material semiconductor es capaz de absorberlos todos adecuadamente. Esto significa que para aumentar la eficiencia de captura de la radiación solar, tenemos que hacer celdas híbridas (“multiunión”) que utilicen más de un material absorbente.

Cada material semiconductor tiene una «banda prohibida» característica o un espectro de energías electrónicas que el material simplemente no puede soportar. Esta brecha se encuentra entre los estados excitado y no excitado del electrón. Un electrón en su estado de reposo no puede excitarse para que sea útil a menos que reciba suficiente energía en exceso para saltar directamente sobre esta banda prohibida. El silicio tiene una banda prohibida agradable y alcanzable, una que se puede salvar con la energía extra de un solo fotón. Esto permite que el silicio esté bien encendido (conductor) o apagado (no), según lo definido por la posición de sus electrones potencialmente conductores.

Un material como el grafeno podría, en cierto sentido, ser una base mucho mejor para una célula fotovoltaica que el silicio debido a su increíble eficiencia eléctrica y al potencial de empaquetarse mucho más densamente en los propios paneles: el gran problema vuelve a la banda prohibida. y la incapacidad del grafeno para excitarse adecuadamente con el poder de un fotón entrante. Algunos dispositivos de grafeno complejos, como los transistores de grafeno bicapa de doble puerta, pero los problemas con la fabricación de tales dispositivos compensan las ganancias potenciales, al menos por ahora.

SPS ALPHA, concepto de planta de energía solar basada en el espacio

La energía solar es mucho más fácil de recolectar en el espacio, pero luego debes llevarla a la superficie.

El progreso real tendrá que esperar a que se encuentre un supermaterial convenientemente asequible que pueda proporcionar una banda prohibida útil al mismo tiempo que supere las propiedades mecánicas y electrónicas del silicio por un margen justo. Hasta entonces, las soluciones provisionales han logrado aumentar en gran medida las capacidades funcionales de los paneles basados ​​en silicio.

Los revestimientos antirreflectantes aumentan la cantidad de luz absorbida en general, mientras que el «dopaje» químico de los transistores en sí puede mejorar las capacidades ópticas del silicio. Algunas configuraciones solares usan campos de espejos para concentrar la mayor cantidad de radiación solar posible en solo unas pocas celdas de alta capacidad en el centro. Muchos ahora incluso están diseñados como dispositivos de captura de luz, por lo que la luz que entra rebota internamente, para siempre, hasta que finalmente se absorbe. El otoño pasado, los investigadores de la Universidad de Michigan incluso desarrollaron una célula solar completamente transparente.

El calor también puede ser una parte cada vez más importante de las plataformas de energía solar, ya que cualquier radiación que no se absorba electrónicamente será absorbida al menos parcialmente como calor crudo. Usar este calor para hervir agua, o incluso calentar hogares directamente, podría ayudar a la energía solar civil a mejorar la eficiencia general, incluso mientras los supermateriales eléctricos continúan poniéndose al día.

Incluso conceptos más extravagantes, como la energía solar basada en el espacio, ofrecen cierto potencial al capturar la luz antes de que se filtre a través de la atmósfera de la Tierra; Japón quiere generar un gigavatio de energía solar en el espacio, por ejemplo. El problema es llevar la energía a la superficie, donde podría ser útil para los seres humanos. La iniciativa japonesa busca usar láseres para ese propósito, pero no se sabe si evitar la atmósfera será una estrategia ganadora, en general.

Las células solares se han visto paralizadas por varias décadas de titulares prematuros que anuncian una estrategia general tan ganadora y el dominio inminente de la energía solar. La realidad es que es casi seguro que nunca habrá un momento tan eureka en ingeniería. La tecnología de células solares se modificará y actualizará hasta que pase un umbral abstracto basado en la asequibilidad, el estado de la tecnología de almacenamiento y transmisión de energía y el nivel anual local de luz solar.

Todos los tipos de energía solar serán importantes para cualquier intento real de implementar energía verde a escala nacional. A menos que la fusión dé grandes pasos hacia adelante o que la energía nuclear clásica se vuelva mucho más popular, puede apostar que la energía solar será una gran parte de nuestro futuro energético.

Consulte nuestra serie ExtremeTech Explains para obtener una cobertura más detallada.