La Habana, PL, para RIA Novosti. Por Alfo José Batista Leyva*.- En 1887 Heinrich Hertz estudiaba la emisión de ondas electromagnéticas al saltar chispas entre dos electrodos, cuando notó que las cargas saltaban más fácilmente si los electrodos eran iluminados por luz ultravioleta.
Luego se comprobó que la luz provoca la emisión de electrones de los metales. A este fenómeno se le denominó efecto fotoeléctrico externo.
En los semiconductores se descubrió el fotoefecto interno, que provoca la aparición de cargas en el material al ser iluminado; separando estas cargas se genera una diferencia de potencial eléctrico que puede usarse para hacer circular corriente eléctrica por un circuito, iluminando una estancia, o haciendo funcionar un equipo eléctrico.
Es el efecto fotovoltaico, la base de las celdas fotovoltaicas (FV), que tanto impacto pueden tener en el futuro de la energética.
En un día soleado sobre cada metro cuadrado de la Tierra llegan como promedio mil Watt de energía luminosa.
Esta energía puede resolver los problemas energéticos, entonces ¿por qué no usar la energía del Sol para generar electricidad? Una primera respuesta es que sí se está usando.
Una calculadora electrónica moderna no posee baterías, en su panel frontal hay una sección rectangular oscura, que es un arreglo de celdas FV, que generan la electricidad que consume la calculadora.
Hace ya mucho tiempo que las celdas FV energizan naves cósmicas, y en regiones apartadas se instalan paneles de celdas FV, para su electrificación.
Además, se usa directamente la energía solar en hornos, en el calentamiento de edificios y del agua. Pero de lo que hablamos es que se sustituyan los combustibles convencionales, que provocan contaminación, por la energía del Sol.
¿COMO TRABAJA UNA CELDA FV?
El material de base de una celda es un semiconductor, por ejemplo silicio. El silicio puro es un débil conductor de la electricidad, sin embargo, cuando se le añaden impurezas mejora su conductividad.
Si la impureza provoca un aumento de los electrones libres en el material, se denomina silicio N (negativo) y si lo que aparecen son vacancias en los enlaces químicos éstas se comportan como cargas positivas, y se denomina silicio P.
El corazón de la celda FV es una Unión PN: silicio P en contacto con silicio N. Lo más importante de la unión es que, si la luz llega a ella, provoca por fotoefecto la formación de un par electrón-vacancia, que son separadas, lo que crea una diferencia de potencial.
Si se añaden electrodos, y se conecta a un circuito, la celda provocará la circulación de corriente, que se mantendrá mientras llegue luz a la unión.
Realmente una unión sola no será eficiente. Como el silicio y otros materiales semiconductores reflejan la luz, y la reflejada no produce cargas, el sistema se cubre con una capa antirreflectante, para que la luz llegue al material.
Además, a ambas caras de la celda se deben acoplar contactos eléctricos para conectar el dispositivo a un circuito. Note que el contacto superior debe ser transparente a la luz, lo cual se logra usando un óxido metálico transparente, o una fina red metálica, que deje pasar la luz y recoja las cargas.
El sistema debe protegerse del intemperismo, lo cual puede lograrse recubriéndolo de vidrio. Las celdas se acoplan en una conexión serie-paralelo, que se denomina módulo, para lograr el voltaje y la corriente deseados.
No obstante, el aporte de la energía solar al consumo de energía mundial es bajo.
Según un reporte del PNUD, la energía producida en el 2001 por fuentes renovables es el 14 por ciento del total, y de ella, la fracción correspondiente a las distintas formas de la energía solar es menos del 0,2 por ciento.
Los módulos FV sólo en lugares apartados son cada vez más comunes. En las ciudades aún es raro su uso, pues hay fuentes de energía disponibles a mejores precios.
Es que el Sol da su energía de forma gratuita, pero convertirla a electricidad puede ser caro. En primer lugar están los costos de los paneles FV.
Para el uso nocturno, se debe almacenar la energía, usando un tipo de baterías llamadas de ciclo profundo, las cuales pueden entregar casi toda su energía sin que su ciclo de vida se acorte.
Por lo general las baterías se acoplan a un controlador de carga que no les permite cargarse ni descargarse excesivamente. Por último, es necesario un sistema conversor de corriente directa a corriente alterna.
Todo esto hace que, según cálculos, cada Watt de electricidad que se quiera generar requiera una inversión de alrededor de USD 9.00. Así, un sistema de generación de 1 kiloWatt, costará alrededor de nueve mil dólares USD.
Se espera que los costos disminuyan según se incremente el uso, sin embargo, para que el empleo aumente, deben disminuir los costos.
Este círculo vicioso se puede romper por la investigación científica, que aporte materiales más eficientes (que aprovechen un por ciento mayor de la energía luminosa incidente) que den más energía para una misma inversión, métodos económicos de fabricación de los módulos y métodos eficientes de almacenamiento, lo que hará a la larga competitivos los costos.
Recuerde, además, que es energía limpia, lo que le da un valor agregado.
Un problema fundamental de la energía solar es que es difusa. Para las necesidades energéticas de una persona que viva en latitudes medias, se requieren 8 metros cuadrados de paneles solares.
La energía que requiere una ciudad debería ser producida por enormes paneles de módulos que afearían el paisaje y podrían afectar el ecosistema de la región.
Una solución es integrar los módulos al paisaje, y a la ciudad (por ejemplo, en los techos) haciendo una generación distribuida que será más eficiente, pues la energía se generará allí donde se necesite.
Las potencialidades de la energía solar son enormes, pudiendo generar más energía que la que se consume al año, sin comprometer más del uno por ciento de la tierra ahora en desuso.
La ciencia está empeñada en la tarea de hacerle el regalo de la energía solar a la Humanidad. Los científicos buscan, como el errante Ængus, tomar hasta el fin de los tiempos las doradas manzanas del Sol.
(*) Doctor en Ciencias Físicas. Departamento de Física General y Matemáticas.
