Historia de la célula solar fotovoltaica
En la historia de la célula solar fotovoltaica hay muchos hitos importantes y se pueden presentar muchos argumentos para incluirlos en una lista de hechos clave. Aquí no intentaremos hacer una lista exhaustiva, sino una lista centrada en las entradas más destacadas. Para una línea de tiempo más completa de la historia de la célula solar fotovoltaica, el artículo de Wikipedia: "Línea de tiempo de las células solares" es un gran punto de partida.
Artículo traducido y adaptado por Vladimir Pulgarín del curso "Introduction to solar cells".
Donde comenzó la historia de la célula solar fotovoltaica
Mientras experimentaba en el laboratorio de su padre, Alexandre Edmond Becquerel, de 19 años de edad, creó la primera célula fotovoltaica del mundo y así descubrió el efecto fotovoltaico. En su experimento, llevado a cabo en 1839, Becquerel colocó dos electrodos de platino en un recipiente con cloruro de plata en una solución ácida. Cuando se generaron el voltaje y la corriente iluminados sobre los electrodos, Becquerel descubrió que la fuerza de la corriente cambiaba con la iluminación. Debido a este trabajo, el efecto fotovoltaico también ha sido conocido como el "efecto Becquerel".
El siguiente desarrollo significativo en la historia de la célula solar fotovoltaica se dio en 1873 y surgió del interés en el efecto fotoconductor del selenio después de que Willoughby Smith encontrara que el selenio muestra fotoconductividad.
En 1877 William Grylls Adams y su estudiante Richard Evans Day observaron el efecto fotovoltaico en el selenio solidificado iluminando una unión entre el selenio y el platino. Esta fue la primera demostración del efecto fotovoltaico en un sistema de estado sólido, demostrando que la electricidad podía ser producida a partir de la luz sin partes móviles.
En 1884 se instaló en Nueva York el primer panel solar en un techo, demostrando una eficiencia de casi el 1%. El conjunto solar utilizó células solares de selenio inventadas el año anterior por el inventor americano Charles Fritts, demostrando que se podía extraer energía significativa de las células solares. El invento impresionó a Werner von Siemens quien declaró: "La conversión directa de la luz en electricidad se ha demostrado por primera vez". En esta temprana etapa de la historia de la célula solar fotovoltaica, el optimismo se apoderó de los inventores.
Fritts predijo con optimismo que "podríamos ver dentro de poco la placa fotoeléctrica compitiendo con [las plantas de generación eléctrica a base de carbón]". Las primeras centrales eléctricas alimentadas con combustibles fósiles se habían construido sólo tres años antes de que Fritts anunciara sus intenciones por Thomas Edison. En ese momento la tecnología parecía estar lista para ganar importancia en un mundo que descubría las maravillas de la electricidad.
James Clerk Maxwell elogió el estudio de la fotoelectricidad como "una contribución muy valiosa a la ciencia". Pero ni Maxwell ni Siemens tenían idea de cómo funcionaba el fenómeno de la fotoelectricidad. Maxwell se preguntó: "¿Es la radiación la causa inmediata o actúa produciendo algún cambio en el estado químico?" Siemens instó a una "investigación exhaustiva para determinar de qué depende la acción de la luz electromotriz del selenio".
En los años siguientes, la comprensión física del fenómeno se mejoró con las contribuciones de personas como Heinrich Hertz, que investigó la fotoconductividad de la luz ultravioleta y descubrió el efecto fotoeléctrico. En 1905 Albert Einstein publicó un artículo explicando el efecto fotoeléctrico sobre una base cuántica, que más tarde le valió el premio Nobel de física.
El progreso hacia las células solares prácticas resultó lento a pesar de los avances en la comprensión. Bruno Lange, un científico alemán cuyo panel solar de 1931 se parecía al diseño de Fritts, predijo que "en un futuro no muy lejano, enormes plantas emplearán miles de estas placas para transformar la luz solar en energía eléctrica... que puede competir con los generadores hidroeléctricos y de vapor en el funcionamiento de las fábricas y la iluminación de los hogares". Pero la célula solar de Lange no funcionó mejor que la de Fritts.
La energía de las primeras células solares fotovoltaicas
Para poner en perspectiva la energía producida por estas primeras células solares, podemos hacer un simple cálculo de la energía producida por un panel solar de 1 m2. Con 1000 W/m2 (σAM1.5G) y un área conocida, podemos calcular que una célula solar con una eficiencia del 1% puede producir 10 W. σAM1.5G es la densidad de energía entrante (1000 W/m2), A es el área (1 m2), y η es la eficiencia (1%). Por lo tanto:
P= σ AM1.5G ⋅A⋅η
P = 1000[W/m2]⋅1[m2]⋅0.01
P =10W
Donde P= potencia; σ(sigma)= irradiancia de 1000 vatios por metro cuadrado; A= área; η= eficiencia expresada en porcentaje.
Si comprueba las unidades, verá que los términos de metros cuadrados (m2) se anulan, y como la eficiencia es menor en unidades, nos queda un resultado en vatios (W).
Una fuente de energía de 10 W era impresionante en la época de Charles Fritts, pero parecía menos impresionante a medida que pasaba el tiempo.
Sin grandes avances en el horizonte y con el rápido desarrollo de los generadores eléctricos que conllevan a la electricidad a gran escala producida por vapor de carbón o energía hidráulica, el jefe de la división de fotoelectricidad de Westinghouse sólo podía concluir: "Las células fotovoltaicas no serán interesantes para el ingeniero práctico hasta que la eficiencia haya aumentado al menos cincuenta veces".
El pronóstico pesimista fue elaborado por los autores de Photoelectricity and Its Applications, escribiendo en 1949: "Hay que dejar para el futuro si el descubrimiento de células materialmente más eficientes reabrirá la posibilidad de aprovechar la energía solar para fines útiles".
Invención de la célula solar fotovoltaica moderna
En la historia de la célula solar fotovoltaica, el nacimiento de la célula moderna ocurrió junto con el del transistor de silicio. Dos científicos, Calvin Fuller y Gerald Pearson de los famosos Laboratorios Bell, lideraron el esfuerzo pionero que llevó al transistor de silicio de la teoría al dispositivo de trabajo.
Durante su trabajo, fabricaron silicio que contenía una pequeña concentración de galio generando el silicio p-dopado. Cuando una varilla del material se sumergía en un baño de litio caliente, la porción de silicio sumergida en el litio se convertía en n-dopado. Donde se encontraba el silicio dopado positiva y negativamente, se desarrollaba un campo eléctrico permanente. Esta es la unión p-n, el corazón del transistor y la célula solar, donde ocurre toda la actividad electrónica. Iluminando la unión por medio de una lámpara, un amperímetro conectado a la muestra, registró una corriente eléctrica significativa.
Mientras Fuller y Pearson continuaban el trabajo de mejora del transistor, Daryl Chapin, otro científico de Bell, había estado estudiando la posibilidad de proporcionar pequeñas cantidades de energía intermitente en lugares remotos y húmedos. Chapin incluyó las células solares en la investigación de opciones viables. Midiendo una célula de selenio comercial, Chapin registró que la célula producía 4,9 vatios por metro cuadrado. Podemos calcular la eficiencia de este dispositivo usando la fórmula:
P = Pin ⋅A⋅η
η = P/ Pin⋅A
η= 4.9[W] / 1000[ W /m2 ]⋅1[m 2 ]
η= 0.49%.
Esto es: potencia es igual a la potencia de entrada (Pin, irradiancia de 1000 vatios por metro cuadrado) por área(A) por eficiencia(η). Luego despejamos la eficiencia y nos queda que es igual a la potencia obtenida(P) dividida entre la potencia de entrada por área. Operamos.
Pearson se enteró de los decepcionantes resultados de Chapin y le dijo a Chapin, "No pierdas otro momento con el selenio", y le dio una célula solar de silicio que había hecho. Chapin realizó pruebas en la luz solar fuerte y mostró que la célula solar de silicio tenía una eficiencia del 2,3 por ciento.
Chapin inmediatamente abandonó la investigación sobre el selenio y dedicó su investigación a mejorar la célula solar de silicio. Trabajando con varias estrategias para mejorar los resultados iniciales, Chapin optimizó las células solares de silicio y logró una célula solar con una eficiencia del 6%. El producto resultante, la Batería Solar Bell (figura 2), fue revelado a la prensa el 25 de abril de 1954.
En la historia de los Laboratorios Bell, pocos inventos se acercan a la emoción y la atención de los medios de comunicación contemporáneos que la presentación de la célula solar de silicio. Un informe de 1954 de U.S. News & World Report especuló, "Las tiras [de silicio] pueden proporcionar más energía que todo el carbón, petróleo y uranio del mundo... El futuro es ilimitado". Aunque esta afirmación puede ser cierta en teoría, el éxito comercial eludió las células solares a pesar de los avances tecnológicos. De hecho, un precio prohibitivo limitó las células solares.
En 1956, una célula fotovoltaica de un vatio tenía un costo de 286 dólares, lo que significa que un propietario tendría que pagar 1.430.000 dólares por un conjunto de células solares de potencia suficiente. Esto llevó a una sobria declaración de Chapin: "Por muy emocionante que sea la perspectiva de usar convertidores solares de silicio para la energía ... claramente, no hemos avanzado hasta donde podemos competir ... comercialmente".
En la larga historia de la célula solar fotovoltaica la aplicación que aseguraría la adaptación de la tecnología pronto se revelaría cuando el mundo estaba entrando en la era de la carrera espacial. El lanzamiento de Sputnik, el primer satélite del mundo, tuvo lugar en 1957 y el lanzamiento de Vanguard I en 1958 vio el primer uso de células solares en un satélite.
Mientras tenemos lista la segunda parte de este serie te invitamos a conocer siete datos interesantes sobre la energía solar que te podrían gustar.
Fuentes Coursera:
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