La energía solar es crucial para muchos futuros. En el nivel micro, hay una industria solar en auge en América y en todo el mundo. Desde que el Congreso aprobó un crédito fiscal en 2006, la Asociación de la Industria de Energía Solar (SEIA, por sus siglas en inglés) dice que la industria ha estado promediando una tasa de crecimiento anual del 50 por ciento en la última década. En la mayoría de los campos, eso sería macro noticias. Pero la energía solar tiene una misión más allá de ganar dinero: se supone que salva el planeta.
No existe ningún plan para evitar que el calentamiento global provocado por el hombre deforme permanentemente el clima de la Tierra sin los paneles solares y la energía que pueden convertir. "El papel de las soluciones de energía renovable en la mitigación del cambio climático está demostrado", dice el Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo. Algunos en la industria piensan que la energía solar crecerá 6.500 por ciento como industria para el 2050 para mitigar esa necesidad.
Pero por toda su importancia, los paneles solares aún se sienten misteriosos. Rectángulos negros rígidos y ligeramente amenazantes, no tienen ni la apariencia ni la sensación de un salvador. Las majestuosas cascadas y represas parecen heroicas, pero los paneles solares no lo hacen. Entonces … ¿cómo funcionan de todos modos?
Una breve historia
El trabajo en energía solar comenzó en 1839, cuando un joven físico francés llamado Edmond Becquerel descubrió lo que ahora se conoce como el efecto fotovoltaico. Becquerel trabajaba en el negocio familiar: su padre, Antoine Becquerel, era un conocido científico francés que estaba cada vez más interesado en la electricidad. Edmond estaba interesado en cómo funcionaba la luz, y cuando tenía 19 años, sus dos intereses se encontraron: descubrió que la electricidad podía producirse a través de la luz solar.
Los años pasaron y la tecnología dio pasos pequeños pero constantes. Durante la década de 1940, científicos como Maria Telkes experimentaron con el uso de sulfatos de sodio para almacenar la energía del sol para crear la Casa del Sol de Dover. Cuando investigaba los semiconductores, el ingeniero Russell Shoemaker Ochs examinó una muestra de silicio agrietada y notó que estaba conduciendo electricidad a pesar de la grieta.
Pero el mayor salto se produjo el 25 de abril de 1954, cuando el químico Calvin Fuller, el físico Gerald Pearson y el ingeniero Daryl Chapin revelaron que habían construido la primera célula solar de silicio práctica.
Al igual que Ochs, el trío trabajó para Bell Labs y había asumido el desafío de crear ese equilibrio antes. Chapin había estado tratando de crear fuentes de energía para teléfonos remotos en desiertos, donde las baterías normales se agotarían. Pearson y Fuller estaban trabajando para controlar las propiedades de los semiconductores, que luego se usarían para alimentar las computadoras. Conscientes de que cada uno trabaja, los tres decidieron colaborar.
Estas primeras células solares eran "básicamente dispositivos ensamblados a mano", dice Robert Margolis, analista de energía del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL).
¿Como funcionan los paneles solares?
Para comprender cómo los paneles solares de silicio producen electricidad, es necesario reducirlos al nivel atómico. El silicio tiene un número atómico de 14, lo que significa que tiene 14 protones en su centro y 14 electrones que giran alrededor de ese centro. Usando las imágenes clásicas de los círculos atómicos, hay tres círculos que se mueven alrededor del centro. El círculo más interno está lleno con dos electrones, y el círculo medio está lleno con ocho. Sin embargo, el círculo más externo, que contiene cuatro electrones, está medio lleno. Eso significa que siempre buscará llenarse con la ayuda de los átomos cercanos. Cuando se conectan, forman lo que se llama una estructura cristalina.
Con todos esos electrones que se extienden y se conectan entre sí, no hay mucho espacio para que se mueva una corriente eléctrica. Es por eso que el silicio que se encuentra en los paneles solares es impuro, mezclado con otro elemento, como el fósforo. El círculo más exterior de fósforo tiene cinco electrones. Ese quinto electrón se convierte en lo que se conoce como un "portador libre", capaz de transportar una corriente eléctrica sin mucho empuje. Los científicos aumentan la cantidad de transportistas gratuitos al agregar impurezas en un proceso llamado dopaje. El resultado es lo que se conoce como N-type silicon.
El silicio tipo N es lo que hay en la superficie de un panel solar. Debajo de eso se encuentra su espejo opuesto: silicio tipo P. Mientras que el silicio tipo N tiene un electrón adicional, el tipo P usa impurezas de elementos como el galio o el boro, que tienen un electrón menos. Eso crea otro desequilibrio, y cuando la luz del sol toca el tipo P, los electrones comienzan a moverse para llenar los vacíos entre sí. Un acto de equilibrio que se repite una y otra vez, generando electricidad.
¿Qué hace un panel solar?
Las células solares están hechas de obleas de silicio. Estos están hechos del elemento silicio, un sólido cristalino duro y quebradizo que es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre después del oxígeno. Si estás en la playa y ves manchas negras brillantes en la arena, eso es silicona. Como descubrió Ochs, naturalmente convierte la luz solar en electricidad.
Al igual que otros cristales, se puede cultivar silicio. Los científicos, como los de los Laboratorios Bell, producen silicio en un tubo como un cristal único y uniforme, desenrollando el tubo y cortando la lámina resultante en lo que se conoce como obleas.
"Visualice un bastón redondo", dice Vikram Aggarwal, fundador y CEO de EnergySage, un mercado de comparación de paneles solares. Ese palo se corta como un "pepperoni, un rollo de salami cortado para sándwiches; se afeitan muy", dice. Ahí es donde históricamente ha sido muy difícil, ya sea demasiado grueso, un desperdicio o demasiado delgado, lo que hace que no sean precisos y propensos al agrietamiento ".
Tratan de hacer que estas obleas sean lo más finas posible, para obtener el mayor valor posible de su cristal. Este tipo de célula solar está hecha de silicio monocristalino.
Mientras que las primeras células solares se parecen a las células de hoy en términos de apariencia, hay varias diferencias. De vuelta en los Laboratorios Bell, las esperanzas iniciales eran que las células solares serían buenas para la próxima carrera espacial, dice Margolis, por lo que había una prima en mantener el peso bajo. Las células fotovoltaicas, como se conocieron, se colocaron en un encapsulado liviano.
Y funcionó. Apenas cuatro años después de que se desarrollara la primera célula solar en funcionamiento, el 17 de marzo de 1958, el Laboratorio de Investigación Naval construyó y lanzó Vanguard 1, el primer satélite solar del mundo.
Paneles solares hoy
Primer solar
Hoy en día, las células fotovoltaicas son producidas en masa y cortadas por láseres con mayor precisión de lo que cualquier científico de los Laboratorios Bell podría haber imaginado. Mientras se usan en el espacio, han encontrado mucho más propósito y valor en la Tierra. Entonces, en lugar de poner énfasis en el peso, los fabricantes de energía solar ahora ponen énfasis en la resistencia y la durabilidad. Adiós encapsulado ligero, hola vidrio que puede soportar el clima.
Uno de los principales enfoques de cualquier fabricante de energía solar es la eficiencia: la cantidad de luz solar que cae en cada metro cuadrado del panel solar se puede convertir en electricidad. Es "un problema matemático básico" que se encuentra en el centro de toda la producción solar, dice Aggarwal. Aquí, la eficiencia significa la cantidad de luz solar que se puede convertir adecuadamente a través del silicio tipo P y N.
"Digamos que tienes 100 pies cuadrados disponibles en tu techo", dice en una hipotética. "En este espacio limitado, si los paneles tienen una eficiencia del 10 por ciento, es menos del 20 por ciento. La eficiencia significa cuántos electrones pueden producir por pulgada cuadrada de obleas de silicio. Cuanto más eficientes son, más económicos pueden ofrecer".
Hace aproximadamente una década, dice Margolis, la eficiencia solar rondaba el 13 por ciento. En 2019, la eficiencia solar ha aumentado a 20 por ciento. Hay una clara tendencia alcista, pero una que dice que Margolis tiene un límite con el silicio.
Debido a la naturaleza del silicio como elemento, los paneles solares tienen un límite superior del 29 por ciento. ¿Entonces, dónde vamos desde aquí?
El futuro de solar
Algunos científicos están trabajando en el uso de nuevos materiales. Hay un mineral conocido como perovskita que Aggarwal describe como "muy emocionante". Descubierto por primera vez en los Montes Urales en Rusia occidental, la perovskita ha despertado la atención en las pruebas: de un 10 por ciento de eficiencia en 2012 a un 20 por ciento en 2014. Se puede fabricar artificialmente con metales industriales comunes, lo que hace que sea más fácil de encontrar y utiliza un método más simple. Proceso que la danza de equilibrio de silicio tipo P y N para conducir la electricidad.
Pero tanto Aggarwal como Margolis advierten que la tecnología aún se encuentra en sus primeras fases. "La eficiencia en el laboratorio ha aumentado rápidamente, pero hay una diferencia entre el laboratorio y el mundo real", dice Margolis. Si bien la perovskita ha mostrado un gran progreso en ambientes limpios, ha mostrado rápidos declives cuando se introduce en elementos como el agua, que podría encontrar en el uso diario.
En lugar de nuevos materiales, Margolis y su equipo están trabajando en un concepto que él llama "solar plus". A medida que aumenta el uso de la energía solar, hay un potencial para mejorar la forma en que "la energía solar interactúa con otros edificios en general", dice.
Así que imagina que es un verano brutalmente caluroso en la ciudad. Usted va a una oficina para trabajar y luego regresa a su casa por la noche. Es caluroso y húmedo, así que enciendes el aire acondicionado, y lo mismo ocurre con todas las demás personas de la ciudad. La red eléctrica se tensa.
Pero Margolis imagina que podría ser posible almacenar y utilizar energía solar para disminuir la tensión. "Dos horas antes de que vuelvas a casa, cuando el sol todavía está corriendo, el aire acondicionado podría correr antes y enfriar tu casa de antemano". Lo mismo se aplica durante un invierno frío, arriesgando tuberías congeladas. "Puede sobrecalentar su agua durante el día de calor, y aún puede usar esa agua caliente para limpiar sus platos o tomar una ducha a la mañana siguiente … estamos en el comienzo de la idea de cómo integrar la energía solar en nuestro sistema. "
A pesar de las luchas que enfrenta la dominación solar como la competencia del gas natural y un clima político que favorece los combustibles fósiles, Margolis es optimista.
"Estamos en este punto donde las empresas de servicios públicos y los ingenieros comprenden que la energía solar se está haciendo lo suficientemente grande como para enfrentarla. Son desafíos divertidos".
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