El impacto del cambio climático actual, causado y exacerbado por la quema de combustibles fósiles, nos afecta directamente con fenómenos climáticos extremos cada año. La cosecha de energía mediante este tipo de combustible ha sido la más utilizada durante los últimos siglos, pero también ha demostrado ser poco sostenible en el largo plazo al no provenir de fuentes renovables y generar gases de efecto invernadero. Así que necesitamos buscar alternativas para ello.
Existe un fenómeno físico que nos permite pensar en una alternativa sustentable: el efecto fotovoltaico. En este, un material absorbe luz causando que un electrón se libere de su atracción al núcleo atómico; similar al efecto fotoeléctrico, por el que Einstein recibió un Premio Nobel. La diferencia radica en que en el efecto fotovoltaico el electrón liberado sigue estando dentro del material, permitiendo la conducción de la electricidad en este (Figura 1).
Figura 1. Diagrama simplificado del efecto fotovoltaico. Imagen elaborada por Roble Cuántico.
Toda la luz que viene, por ejemplo, desde el Sol, lo hace con una energía definida y que no depende de su intensidad. Si nos centramos en el rango visible, la luz de color azul tiene una mayor energía que la roja. Pero también existen la luz ultravioleta y la infrarroja, que son más y menos energéticas que la visible, respectivamente. Entonces, si teniendo el material adecuado podemos generar una corriente eléctrica solo al exponerlo a la luz, ¿por qué no usarlo como fuente de energía renovable?
En 1883, utilizando este principio, Charles Fritts creó una batería que aprovecha la luz del Sol: esta sería la primera celda solar. Su base fue el selenio, aunque lamentablemente obtuvo una eficiencia menor al 1%. De aquí surge la pregunta, ¿qué se necesita para construir una celda solar eficiente? La respuesta llegaría con los avances en mecánica cuántica durante el siglo XX, en lo que ahora se conoce como la física de la materia condensada.
Figura 2. Los paneles laterales del telescopio espacial Hubble son celdas solares.
De manera general, sabemos que una celda solar (Figura 2) está hecha de un material semiconductor que puede absorber la luz y que contenga sitios con exceso y deficiencia de electrones, conocidos como uniones PN. El tipo de material usado en su construcción permite clasificar las celdas solares en primera generación (silicio cristalino), segunda generación (telurio de cadmio, entre otros), y tercera generación. En esta última, que abarca las tecnologías más modernas, algunos de los tipos de celdas solares que se encuentran son las hechas de materiales orgánicos, como polímeros o moléculas orgánicas pequeñas, las celdas solares sensibilizadas por colorante, las celdas solares de perovskita y las de puntos cuánticos.
Figura 3. Línea de tiempo de las eficiencias de las celdas solares desde 1976. Fuente: National Renewable Energy Laboratory.
Además de las nombradas, existen muchos otros tipos de celdas, pero no todo son buenas noticias: la eficiencia promedio de conversión de luz a energía eléctrica de las celdas comerciales puede variar entre el 6% y el 22% (Figura 3). Aún nos queda mucho trabajo por hacer. Hasta el año pasado, el récord mundial en condiciones de laboratorio fue una eficiencia del 47.1%, mientras que en condiciones “del mundo real”, se ha logrado un 39.5%. Un candidato con gran potencial para superar estos valores son las celdas solares de puntos cuánticos, pero hasta el momento solo han logrado llegar al 18.1%.
Figura 4. Mapa del potencial fotovoltaico en el mundo. Fuente: Global Solar Atlas.
Si bien, las celdas solares no son la única alternativa al combustible fósil, esta opción sigue siendo muy prometedora. La luz solar es la mayor fuente de energía limpia en la superficie de nuestro planeta (Figura 4), solo nos falta saber cómo aprovecharla de mejor manera. Todo avance, por más pequeño que parezca, suma a nuestro favor en la lucha contra las consecuencias que nos esperan del cambio climático.
Agradecimientos
Agradezco a Francisco López, Mario Morales y Macairodonte por haber revisado el borrador de esta entrada.
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La ciencia de los paneles solares
Li, S., et al. (2023), “Photovoltaic pavement and solar road: A review and perspectives“, Sustainable Energy Technologies and Assessments, 55: 102933.
Rappaport, P. (1959), “The photovoltaic effect and its utilization“, Solar Energy, 3 (4): 8-18.
