El Sol emite suficiente energía a la Tierra para satisfacer toda la demanda de energía durante más de dos horas. Dado que está disponible y es renovable, la energía solar es una fuente de energía muy atractiva en la actualidad. Sin embargo, en los últimos años, menos del dos por ciento de la energía mundial proviene de la energía solar. Históricamente, la recolección de energía solar ha sido costosa y relativamente ineficiente. Sin embargo, los nuevos avances tecnológicos de los últimos veinte años han impulsado el desarrollo de esta tecnología al reducir los costos y aumentando la eficiencia de los paneles solares.
Paneles solares: Costos, desafíos y diseño
En los últimos 20 años, los costos asociados a los paneles solares, las estructuras capaces de convertir la energía de la luz en electricidad, han ido disminuyendo constantemente. El Laboratorio de Energías Renovables de los Estados Unidos, estima que los costos fijos, los costos del hardware físico de los paneles solares y los costos variables han disminuido porque hay más expertos en instalación de esta tecnología, de modo que las empresas pueden producir a nivel industrial e instalarlas fácilmente. Los costos fijos son menos de la mitad de lo que eran en el año 2000, debido principalmente a la disminución de los costos de material y a una mayor capacidad para captar la luz.Debido a que los paneles solares se utilizan para convertir la luz en electricidad, necesitan estar compuestas por un material que sea bueno para capturar la energía de la luz. Este material puede estar entre dos placas de metal que llevan la electricidad capturada de la energía de la luz a donde se necesita, como las luces de una casa o las máquinas de una fábrica. Elegir el material adecuado para capturar la luz implica medir la diferencia entre dos niveles de energía llamados la banda de valencia y la banda de conducción. La banda de valencia de menor energía está llena de muchas pequeñas partículas negativas llamadas electrones, pero la banda de conducción de mayor energía está mayormente vacía. Cuando los electrones son golpeados con partículas de luz, llamadas fotones, pueden absorber suficiente energía para saltar de la banda de conducción de baja energía a la banda de valencia de alta energía. Una vez en la banda de valencia, la energía extra en el electrón puede ser cosechada como electricidad. Es como si los electrones estuvieran sentados en la parte inferior de una colina (la banda de conducción) y fueran golpeados por un fotón que les da la energía para saltar a la cima (la banda de valencia).
La cantidad de energía necesaria para que los electrones salten a la banda de valencia depende del tipo de material. Esencialmente, el ejemplo de la colina varía en función de las propiedades de un material determinado. Específicamente, si los fotones golpean los electrones con menos energía de la que el electrón necesita para saltar de la banda de valencia a la banda de conducción, no se capta ninguna de las energías de la luz. Alternativamente, si la luz tiene más energía de la que se necesita para superar esa brecha, entonces el electrón captura la energía precisa que necesita y desperdicia el resto. Ambos escenarios conducen a ineficiencias en la captación solar, lo que hace que la elección del material de la célula solar sea importante.
Históricamente, el silicio ha sido el material más popular para los paneles solares. Una de las razones de esta popularidad radica en el tamaño de la brecha entre las bandas de conducción y valencia del silicio, ya que la energía de la mayoría de las partículas ligeras está muy cerca de la energía que necesitan los electrones de silicio para saltar la brecha energética. Teóricamente, alrededor del 32% de la energía lumínica podría convertirse en energía eléctrica con una célula solar de silicio. Esto puede parecer poco, pero es significativamente más eficiente que la mayoría de los otros materiales. Además, el silicio también es barato. Es uno de los elementos más abundantes en la Tierra, y el costo de refinarlo ha disminuido dramáticamente desde 1980. Las industrias de paneles solares y electrónica han impulsado la disminución del costo de purificación al aprender mejores técnicas para impulsar la demanda.
El futuro de los paneles solares
Para superarse, un nuevo diseño tendría que ser capaz de capturar más luz, transformar la energía de la luz en electricidad de manera más eficiente, y/o ser menos costoso de construir que los diseños actuales. Es más probable que los productores y consumidores de energía adopten la energía solar si la energía que produce es igual o menos costosa que otras formas de electricidad, a menudo no renovables, por lo que cualquier mejora de los diseños actuales de los paneles solares debe reducir los costos generales para que se utilicen ampliamente.1. Hadware
La primera opción, añadir hardware que permita a los paneles solares capturar más luz, no requiere en realidad que abandonemos los actuales diseños. Se puede instalarun adaptador electrónico que permita a al panel seguir al sol mientras se mueve por el cielo durante el día. Si el panel está siempre apuntando al sol, podrá recibir muchos más fotones que si sólo estuviera apuntando hacia el sol, desde un punto fijo, alrededor del mediodía. Actualmente, el diseño de electrónica que pueda rastrear la posición del sol de forma precisa y consistente a un costo razonable es un reto continuo, pero la innovación en este frente continúa. Una alternativa para hacer que la célula solar se mueva es usar espejos para enfocar la luz en un panel solar más pequeña y por lo tanto más barata.2. Mejorar la conversión de energía
Otra forma de mejorar el rendimiento de los paneles solares es mejorar la eficiencia en la conversión de la energía de la luz solar en electricidad. Los paneles solares con más de una capa de material captador de luz pueden capturar más fotones que los que con una sola capa. Recientemente, Se han probado paneles con cuatro capas que pueden capturar el 46% de la energía lumínica. Estos paneles siguen siendo en su mayoría demasiado caras y difíciles de fabricar para su uso comercial, pero las investigaciones en curso podrían algún día hacer posible la implementación de estas células super eficientes.La alternativa a la mejora de la eficiencia de los paneles solares es simplemente disminuir su costo. Aunque el procesamiento del silicio se ha vuelto más barato en las últimas décadas, sigue contribuyendo significativamente al costo de la instalación.