Construcción de una Celda Solar Básica: Guía Paso a Paso de Tecnología Fotovoltaica

Cómo Construir una Celda Solar Simple (Paso a Paso) | Principio Básico de Funcionamiento de la Celda Fotovoltaica

Introducción a la Celda Solar o Celdas Fotovoltaicas

Una celda solar (o Celda Fotovoltaica) es un dispositivo que produce corriente eléctrica ya sea por acción química o convirtiendo luz en corriente eléctrica cuando se expone a la luz solar. En este artículo nos centraremos en las celdas solares.

Una celda solar también se conoce como celda fotovoltaica que produce corriente eléctrica cuando su superficie se expone a la luz solar. En este artículo, nos referiremos a la luz solar como radiación electromagnética (radiación EM).

En las celdas solares, la cantidad de energía eléctrica generada depende de la intensidad de la radiación EM que alcanza la superficie de la celda. La celda solar convierte radiación EM en corriente DC. Así, una celda solar es un dispositivo de unión semiconductor que convierte la radiación electromagnética del sol en energía eléctrica. Como se dijo, la corriente generada es DC.

Principio Básico de Funcionamiento de una Celda Fotovoltaica / Solar

El principio de operación de una celda solar es similar a la conducción en un semiconductor como el silicio. Como se ve en la imagen, la superficie oscura es la expuesta a la luz solar. Cuando la radiación EM golpea la superficie de la celda, excita los electrones, causando que salten de un nivel de energía (órbita) a otro, dejando huecos atrás.

Estos huecos sirven como portadores de carga positiva, mientras que los electrones son portadores de carga negativa. No te confundas: los electrones o huecos no constituyen las cargas eléctricas; solo las transportan. Al hacerlo, la radiación EM se convierte en energía eléctrica. Las celdas solares se fabrican básicamente con semiconductores como silicio y selenio, los más usados.

Para entender mejor, veamos los diferentes tipos de material semiconductor, ya que son los materiales ampliamente usados en la producción de celdas solares.

Tipos de Semiconductores

Tenemos dos tipos de semiconductores: intrínsecos y extrínsecos.

Semiconductores Intrínsecos:

Son semiconductores puros en su forma natural. No se añade impureza para mejorar su conductividad. A cero grados Celsius tienen muy pocos o ningún hueco y electrón libre para conducción.

Semiconductores Extrínsecos:

No son puros; están dopados (se añaden sustancias como impurezas para mejorar su conductividad). Cuando un semiconductor se dopa, se encuentran los siguientes materiales:

• Semiconductores Tipo P

  Se forman cuando silicio, selenio o germanio se dopan con un elemento trivalente (tres electrones de valencia) como el boro. Los huecos (portadores de carga positiva) son los portadores mayoritarios.

• Semiconductores Tipo N

  Los electrones son los portadores mayoritarios (carga negativa). Se forman cuando silicio u otro semiconductor se dopa con un elemento pentavalente (cinco electrones de valencia en la capa externa).

• Semiconductores Tipo PN

  Cuando semiconductores tipo P y N se unen fundiendo sus superficies en contacto a alta temperatura (no completamente para que formen una entidad), se forma una frontera o unión de orden 10^-3 mm. Esa unión se llama unión PN. La alta concentración de huecos en un lado y electrones en el otro causa difusión mutua a través de la unión.

Cómo Construir una Celda Fotovoltaica / Solar Simple

Silicio y selenio son los semiconductores más usados en producción de celdas solares. Arseniuro de galio, arseniuro de indio, sulfuro de cadmio, etc., también se usan, pero silicio y selenio son los más extendidos.

Sabiendo que materiales semiconductores como silicio y selenio pueden ser costosos, hablaremos de cómo construir una celda solar usando silicio y también cómo hacerlo con materiales baratos disponibles.

Nota: usar materiales baratos no dará potencia equivalente al silicio o selenio; y cuanto mayor sea la superficie expuesta a radiación EM, más energía se producirá.

Construcción de una Celda Solar Usando Semiconductor de Silicio

Como se dijo, la superficie es material tipo P. Debe ser fina para que la energía lumínica (radiación EM) penetre la unión y alcance el material tipo N, permitiendo la difusión de electrones y huecos.

El anillo niquelado alrededor del material tipo P sirve como terminal de salida positivo, mientras que el plateado en la base del material tipo N sirve como terminal negativo.

Cómo Construir una Celda Solar Simple (Paso a Paso)

Ahora que sabes cómo se producen celdas solares con silicio, veamos cómo producir una celda fotovoltaica con diferentes materiales. En lugar de óxido cuproso, usaremos otros materiales. Los materiales necesarios son:

• Placas de vidrio (cubiertas de portaobjetos de microscopio, por ejemplo)
• Agua desionizada
• Multímetro
• Cinta transparente
• Plato poco profundo
• Placa eléctrica caliente (1100W si es posible)
• Solución de dióxido de titanio
• Carbono (lápiz de grafito o lubricante de grafito)
• Solución de yoduro
• Pinzas de sujeción (binder clips)
• Pinzas de cocodrilo

En nuestro trabajo anterior, el material tipo P enfrentaba al sol y era más conductor que el tipo N. El vidrio es un semiconductor con conductividad parcial. Para que una placa actúe como tipo P y la otra como tipo N, hay que tratarlas con químicos para que una sea más conductiva. Los pasos son:

1. Limpia a fondo las superficies de las dos placas de vidrio con etanol. No toques la superficie tras limpiar.
2. Con el multímetro, prueba la conductividad de las superficies y nota la más conductiva de cada placa. Coloca las placas lado a lado con la superficie conductiva de una hacia abajo y la de la otra hacia arriba.
3. Aplica cinta transparente para unir las placas por uno de los lados largos. La cinta debe solapar 1 mm del borde. Pon también cinta en el exterior de la placa superior a 4-5 mm.
4. Aplica gotas de dióxido de titanio uniformemente sobre la superficie y extiende la solución. Deja que cubra la superficie conductiva que mira hacia abajo.
5. Retira las cintas que unen las placas.
6. Coloca la superficie conductiva que mira hacia arriba sobre la placa caliente toda la noche para hornear el dióxido de titanio. Limpia el dióxido de la superficie inferior y guárdala limpia.
7. Llena un plato poco profundo con tinte hecho de jugo de mora, frambuesa o granada. Sumerge la placa con dióxido de titanio (cara abajo) al menos 10 minutos.
8. Limpia la otra placa con etanol mientras la de dióxido se tiñe. Prueba su conductividad. Marca el lado que NO conduce como positivo. Aplica lubricante de grafito o lápiz de grafito sobre el lado conductivo cubriendo toda la superficie.
9. Saca la placa de dióxido de titanio del tinte. Enjuágala primero con agua desionizada y luego con etanol. Seca el etanol con un tejido limpio.
10. Ensambla las dos placas juntas de modo que los recubrimientos se toquen, con las placas ligeramente desfasadas. Sujeta con pinzas binder. El desfasaje sirve para que los bordes actúen como terminales.
11. Aplica gotas de solución de yoduro sobre el recubrimiento expuesto a la luz. Deja que se empape completamente. La solución de yoduro ayuda a que los electrones fluyan de la placa con dióxido de titanio a la de carbono cuando se expone a radiación EM. Si hay exceso, límpialo de la superficie expuesta al sol.
12. Conecta una pinza de cocodrilo a las secciones del recubrimiento expuesto en cada lado de la celda. Una pinza en la superficie con grafito (ánodo) y otra en la de dióxido de titanio (cátodo). Conecta cables conductores a las pinzas y colócala donde incida la luz. ¡Tu celda solar está lista! Puedes medir voltaje y corriente con el multímetro. Obviamente no carga un móvil, pero puedes hacer una cadena de estas celdas para lograrlo.

Ventajas de Usar Celdas Solares

• No producen ruido
• No requieren combustible
• Su energía motriz es gratuita en la naturaleza
• Requieren poco mantenimiento

Desventajas de Usar Celdas Solares

• La superficie debe ser grande para producir energía eléctrica razonable.
• Cuando el sol se oculta tras nubes, la energía generada disminuye drásticamente.
• No pueden emplearse como fuente principal por las fluctuaciones en la energía generada.

Aplicaciones y Usos de las Celdas Solares

Las celdas solares tienen numerosas aplicaciones a pesar de sus desventajas:

• Grupos de celdas solares conectadas en serie-paralelo pueden usarse como cargador de baterías
• Ampliamente usadas como fuente de energía para satélites
• Dispositivos fotovoltaicos de silicio de múltiples unidades para detección de luz en aplicaciones como lectura de tarjetas perforadas en procesamiento de datos
• Celdas de germanio dopado con oro con respuesta espectral controlada pueden usarse como detectores infrarrojos

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