¿Por qué hay un límite para la eficiencia de los paneles solares?

Los paneles solares representan el futuro de la energía. Sin embargo, la eficiencia máxima registrada de una célula solar comercial es del 33% debido a ciertas barreras energéticas a nivel molecular.

“Pondría mi dinero en el sol y la energía solar. ¡Qué fuente de poder! Espero que no tengamos que esperar hasta que se acaben el petróleo y el carbón antes de abordar eso “. – Thomas Edison

Todos en el mundo deberían estar ahora firmemente de acuerdo en que la energía renovable es el único camino a seguir en términos de satisfacer el apetito energético de la humanidad. Greta Thunberg ha tratado de dejar este punto en varias ocasiones frente a los líderes más poderosos de las naciones más desarrolladas de este mundo. Sin embargo, como todos vimos, en realidad fue criticada por varios líderes mundiales, incluido el presidente estadounidense Donald Trump, aunque llamarlo “líder” parece exagerado. El caso es que todos los expertos saben que Greta tiene razón. Sin embargo, cuando se trata de las diversas alternativas de energía más ecológicas mencionadas por Greta, cada una tiene sus propias limitaciones.

La velocidad del viento fluctúa enormemente, por lo que es poco fiable durante gran parte del día. Puedes construir represas, pero no puedes alimentar al mundo entero con ellas. La luz del sol, sin embargo, está disponible gratuitamente durante el día en todo el planeta, por lo que uno podría preguntarse … ¿cuál es la objeción allí? Bueno, la eficiencia máxima de una célula solar disponible comercialmente registrada hasta la fecha ha sido del 33,7%. Este ha sido uno de los mayores desafíos para la industria solar, pero ¿por qué existen tales limitaciones en la eficiencia de un panel solar? Llegaremos a esa respuesta en breve, pero primero, es importante que entendamos qué es exactamente una célula solar.

¿Qué es una célula solar?

Una célula solar es un dispositivo que captura la energía del sol en forma de luz solar directa y la convierte en energía eléctrica. Una celda solar también se conoce como celda fotovoltaica, lo que implica que convierte los fotones presentes en la luz en una diferencia de voltaje (que esencialmente significa “energía eléctrica”). Para comprender las limitaciones de una célula solar, debemos observar más de cerca su construcción.

Un cruce pn simple (Crédito de la foto: Designua / Shutterstock)

Las células solares se fabrican utilizando obleas de silicio de tipo py tipo n. Una oblea de silicio de tipo p consta de más agujeros, lo que significa que carece de electrones, mientras que la oblea de tipo n posee un exceso de electrones. La interfaz en la que estos dos hacen contacto se conoce como unión (unión PN, para ser más precisos). La unión PN es el bloque de construcción principal de la celda solar.

¿Qué entendemos por eficiencia de una célula solar?

Cada dispositivo que usamos tiene una cierta eficiencia asociada. Considere una máquina que produce 10 globos por hora. De estos diez, dos globos resultan tener un agujero o algún otro tipo de defecto. Esto implica que la eficiencia de la máquina es del 80%, porque la máquina toma las materias primas necesarias para producir 10 globos, pero convierte solo el 80% de eso en producción útil. Por lo tanto, la eficiencia de un dispositivo representa la cantidad de producción útil producida por unidad de insumo que se le suministra.

Todos los mecanismos de producción de energía tienen ciertos límites de eficiencia. (Crédito de la foto: rawf8 / Shutterstock)

Del mismo modo, la radiación incidente en una célula solar no se convierte por completo en electricidad. Solo una cierta fracción de esa energía (una fracción mucho menor, como ya vimos) puede extraerse como trabajo útil. Hay muchas medidas diferentes de la eficiencia de una celda solar, pero la más común es el límite de Shockley-Queisser.

¿Qué es el límite Shockley-Queisser?

El límite de Shockley-Queisser, más comúnmente conocido como límite SQ, es la medida científica más destacada de la eficiencia de las células solares. Mide la eficiencia teórica de una sola celda solar de unión PN en condiciones de prueba estándar (STC). El STC se aproxima al mediodía solar en los equinoccios de primavera y otoño en los Estados Unidos continentales con la superficie de la célula solar dirigida directamente al sol (Límites de eficiencia solar).

El límite se mide bajo ciertos supuestos. La celda solar debe estar hecha de un solo tipo de material homogéneo. Solo puede haber una unión pn por celda solar y se supone que cada fotón que posea una energía mayor que la banda prohibida se convertirá en energía eléctrica. No se preocupe si no conoce el significado de fotones o bandgap, los discutiremos a continuación.

¿Por qué hay un límite para la eficiencia?

El proceso de generación de electricidad mediante células solares depende principalmente de un paso muy importante. El salto de electrones de una banda de valencia (unión PN de una celda solar) a una banda de conducción (circuito externo, como una batería). Para su referencia, se dice que los electrones en un átomo normal sin energía suministrada externamente están en su banda de valencia. Para producir electricidad, estos electrones deben transferirse a un circuito externo, que se conoce como el banda de conducción.

Bandgap de energía entre diferentes materiales (Crédito de la foto: udaix / Shutterstock)

Los electrones no saltan de la banda de valencia a la banda de conducción por sí mismos. Se debe proporcionar una cierta cantidad de energía, conocida como banda prohibida, para que puedan hacer la transición.

Espectro de banda de ondas de luz (Crédito de la foto: Fouad A. Saad / Shutterstock)

Ahora, la radiación solar entrante está compuesta por ondas de muchas longitudes de onda diferentes, como se muestra en el espectro de arriba. Las ondas más largas a la izquierda son las más débiles (poseen menos energía), mientras que las ondas más cortas a la derecha son más poderosas. Por lo tanto, solo unas pocas de estas ondas poseen la energía necesaria para superar la barrera energética.

Echemos un vistazo a un ejemplo para tener una mejor idea del proceso mencionado anteriormente. Considere un paquete de fotones (partículas de luz) que consta de 100 ondas de diferentes longitudes de onda que golpean una célula solar hecha de silicio. De estas 100 ondas, 40 poseen la energía equivalente a la banda prohibida del silicio y, por lo tanto, podrán producir electricidad. El resto de las ondas se disipará en forma de calor o rebotará en la superficie de la celda. Por tanto, existe un límite para la eficiencia de una célula solar.

¿Cuáles son los otros factores que afectan la eficiencia?

Como vimos, la barrera de energía umbral para la transición electrónica resulta ser la razón principal de la baja eficiencia de los paneles solares. Sin embargo, no es el único factor que lo afecta. Hay muchos otros elementos que juegan un papel considerable aquí.

La capa de ozono impide que los rayos ultravioleta de alta energía lleguen a la superficie. (Crédito de la foto: Designua / Shutterstock)

La energía que sale del sol y la que recibimos aquí en la tierra no es la misma. Esto se debe a que la radiación tiene que viajar a través de la atmósfera espesa que rodea nuestro planeta. Ahora, diferentes fenómenos como la dispersión y la refracción de la luz reducen su intensidad. La capa de ozono impide que nos llegue la dañina radiación ultravioleta (estas ondas son dañinas para nosotros ya que poseen más energía y por lo tanto pueden dañar las células de nuestros ojos). Sin embargo, estas son las ondas capaces de cruzar el umbral de energía y alcanzan escasamente la superficie, lo que vuelve a provocar una reducción en la eficiencia de los paneles solares.

¿Existe alguna solución al problema?

Aunque la mayoría de las células solares comerciales, actualmente disponibles para nosotros, no pueden cruzar el listón del 33% en términos de conversión, el futuro parece brillante. Los investigadores que trabajan en materiales de perovskita para LED flexibles y células solares de próxima generación en la Universidad de Cambridge han descubierto que pueden ser más eficientes cuando sus composiciones químicas están menos ordenadas (algo fuera del alcance de este artículo), simplificando enormemente los procesos de producción y reduciendo cost-Physics.org.

Una vez más, los científicos de todo el mundo han estado trabajando en materiales más nuevos como el nitruro de galio, el germanio, el fosfuro de indio y otros. Muchos creen que estos materiales utilizarán eficazmente todo el espectro solar para convertirlo en electricidad al cambiar los límites de banda prohibida de las células solares de unión múltiple. Con todo, el futuro parece prometedor para la industria solar.

Una palabra final

Los incendios forestales de Australia y el Amazonas han liberado una cantidad increíble de carbono a la atmósfera, tanto que nuestro planeta podría no ser capaz de absorberlo hasta 2050. El calentamiento global ya no es un problema futuro; es una realidad en toda regla y es inútil negarla. Los ambientalistas se han cansado de decirle al mundo que la energía verde es el único camino a seguir, pero algunos líderes aún se resisten a la verdad.

La menor eficiencia de las células solares se ha citado comúnmente como la razón para no usarlas como sustitutos de los combustibles fósiles. Sin embargo, el problema es que las multinacionales y los gobiernos continúan invirtiendo enormes sumas de dinero en la investigación y el desarrollo de la producción de energía a base de petróleo y carbón, descuidando la investigación y la mejora de las alternativas más ecológicas y seguras. Por ejemplo, ha habido descubrimientos de materiales con una banda prohibida de menor energía que pueden actuar como un posible remedio al problema en cuestión, ¡pero necesitamos que el mundo preste atención e invierta en este tipo de investigación!

Lo que el mundo necesita entender y aceptar es que solo hay un camino a seguir si queremos que nuestra especie sobreviva: ¡el camino verde y sostenible!