La historia de la fotovoltaica, cómo se crearon los primeros paneles solares
Descubrimientos, experimentos y teorías
La historia de la fotovoltaica comienza con el descubrimiento del efecto fotoeléctrico. La conclusión de que la corriente entre electrodos metálicos sumergidos en una solución (líquido) varía con la intensidad de la iluminación fue presentada a la Academia de Ciencias de Francia en su reunión del lunes 29 de julio de 1839 por Alexandre Edmond Becquerel, quien posteriormente publicó un artículo.
A su padre, Antoine César Becquerel, a veces se le llama el descubridor. Esto puede deberse al hecho de que Edmond Becquerel tenía solo 20 años en el momento de la publicación y todavía trabajaba en el laboratorio de su padre.
El gran científico escocés James Clerk Maxwell fue uno de los muchos científicos europeos intrigados por el comportamiento del selenio, que llamó la atención de la comunidad científica por primera vez en un artículo de Willoughby Smith publicado en el Journal of the Society of Telegraph Engineers en 1873.
Smith, ingeniero eléctrico jefe de Gutta Percha Company, usó varillas de selenio a fines de la década de 1860 en un dispositivo para detectar fallas en cables transatlánticos antes de bucear. Mientras que las varillas de selenio funcionaban bien por la noche, funcionaban terriblemente cuando salía el sol.
Sospechando que las propiedades especiales del selenio tenían algo que ver con la cantidad de luz que caía sobre él, Smith colocó las varillas en una caja con tapa deslizante. Cuando se cerró el cajón y se apagaron las luces, la resistencia de las varillas —el grado en que impiden el paso de una corriente eléctrica a través de ellas— fue máxima y permaneció constante. Pero cuando se quitó la tapa de la caja, su conductividad inmediatamente "aumentó de acuerdo con la intensidad de la luz".
Entre los investigadores que estudiaron el efecto de la luz sobre el selenio después del informe de Smith se encontraban dos científicos británicos, el profesor William Grylls Adams y su alumno Richard Evans Day.
A fines de la década de 1870, sometieron el selenio a muchos experimentos, y en uno de estos experimentos encendieron una vela junto a las varillas de selenio que Smith estaba usando. La flecha en su medidor reacciona inmediatamente. Proteger el selenio de la luz hizo que la aguja cayera inmediatamente a cero.
Estas reacciones rápidas excluyen la posibilidad de que el calor de la llama de la vela produzca una corriente, ya que cuando se suministra o se retira calor en experimentos termoeléctricos, la aguja siempre sube o baja lentamente. «Por lo tanto», concluyeron los investigadores, «estaba claro que la corriente solo podía liberarse en selenio bajo la acción de la luz». Adams y Day llamaron a la corriente producida por la luz "fotovoltaica".
A diferencia del efecto fotoeléctrico observado por Becquerel, cuando la corriente en una celda eléctrica cambia bajo la acción de la luz, en este caso el voltaje (y la corriente) eléctrica se genera sin la acción de un campo eléctrico externo solo bajo la acción de la luz.
Adams y Day incluso crearon un modelo de un sistema fotovoltaico concentrado, que presentaron a muchas personas prominentes en Inglaterra, pero no lo llevaron a un uso práctico.
otro creador celdas fotovoltaicas basado en el selenio fue el inventor estadounidense Charles Fritts en 1883.
Extendió una capa ancha y delgada de selenio sobre una placa de metal y la cubrió con una película delgada y translúcida de pan de oro. Este módulo de selenio, dijo Fritz, produjo una corriente "continua, constante y de considerable fuerza... no solo en luz solar, sino también con luz diurna débil y difusa e incluso con luz de lámpara».
Pero la eficiencia de sus células fotovoltaicas era inferior al 1%. Sin embargo, creía que podían competir con las centrales eléctricas de carbón de Edison.
Paneles solares de selenio dorado de Charles Fritts en un techo de la ciudad de Nueva York en 1884.
Fritz envió uno de sus paneles solares a Werner von Siemens, cuya reputación era igual a la de Edison.
Siemens quedó tan impresionado por la potencia eléctrica de los paneles cuando se encendieron que un famoso científico alemán presentó el panel Fritts a la Real Academia de Prusia. Siemens le dijo al mundo científico que los módulos estadounidenses "nos presentaron por primera vez la conversión directa de energía luminosa en energía eléctrica".
Pocos científicos han respondido al llamado de Siemens. El descubrimiento parecía contradecir todo lo que la ciencia creía en ese momento.
Las varillas de selenio utilizadas por los paneles "mágicos" de Adams y Day and Frith no se basaban en métodos conocidos por la física para generar energía. Por lo tanto, la mayoría los excluyó del alcance de futuras investigaciones científicas.
El principio físico del fenómeno fotoeléctrico fue descrito teóricamente por Albert Einstein en su artículo de 1905 sobre el campo electromagnético, que aplicó al campo electromagnético, publicado por Max Karl Ernst Ludwig Planck a principios de siglo.
La explicación de Einstein muestra que la energía de un electrón liberado depende únicamente de la frecuencia de la radiación (energía fotónica) y del número de electrones de la intensidad de la radiación (número de fotones). Fue por su trabajo en el desarrollo de la física teórica, especialmente el descubrimiento de las leyes del efecto fotoeléctrico, que Einstein recibió el Premio Nobel de Física en 1921.
La nueva y audaz descripción de la luz de Einstein, combinada con el descubrimiento del electrón y el subsiguiente impulso para estudiar su comportamiento (todo lo que ocurrió a principios del siglo XIX) proporcionó a la fotoelectricidad una base científica de la que antes carecía y que ahora podría explicar el fenómeno en términos comprensible para la ciencia.
En materiales como el selenio, los fotones más potentes transportan suficiente energía para sacar de sus órbitas atómicas a los electrones débilmente unidos. Cuando los cables se unen a las varillas de selenio, los electrones liberados fluyen a través de ellos en forma de electricidad.
Los experimentadores del siglo XIX llamaron al proceso fotovoltaico, pero en la década de 1920, los científicos llamaron al fenómeno efecto fotoeléctrico.
En su libro de 1919 sobre células solaresThomas Benson elogió el trabajo de los pioneros con el selenio como precursor del "generador solar inevitable".
Sin embargo, sin descubrimientos en el horizonte, el jefe de la división fotovoltaica de Westinghouse solo pudo concluir: "Las células fotovoltaicas no serán de interés para los ingenieros prácticos hasta que sean al menos cincuenta veces más eficientes".
Los autores de Photovoltaics and Its Applications estuvieron de acuerdo con el pronóstico pesimista y escribieron en 1949: "Se debe dejar para el futuro si el descubrimiento de células materialmente más eficientes abrirá la posibilidad de utilizar la energía solar para fines útiles".
Mecanismos de los efectos fotovoltaicos: Efecto fotovoltaico y sus variedades
Fotovoltaica en la práctica
En 1940, Russell Shoemaker Ole creó accidentalmente Unión PN en silicio y descubrió que producía electricidad cuando se iluminaba. Patentó su descubrimiento. La eficiencia es de alrededor del 1%.
La forma moderna de células solares nació en 1954 en Bell Laboratories. En experimentos con silicio dopado, se estableció su alta fotosensibilidad. El resultado fue una célula fotovoltaica con una eficiencia de alrededor del seis por ciento.
Los orgullosos ejecutivos de Bell presentan el panel solar de Bell el 25 de abril de 1954, que presenta un panel de celdas que dependen únicamente de la energía de la luz para impulsar la rueda de la fortuna. Al día siguiente, los científicos de Bell lanzaron un transmisor de radio alimentado por energía solar que transmitía voz y música a los principales científicos de Estados Unidos reunidos para una reunión en Washington.
Las primeras células solares fotovoltaicas se desarrollaron a principios de la década de 1950.
Un electricista de Southern Bell ensambla un panel solar en 1955.
Las células fotovoltaicas se han utilizado como fuente de electricidad para alimentar varios dispositivos desde finales de la década de 1950 en satélites espaciales. El primer satélite con fotocélulas fue el satélite estadounidense Vanguard I (Avangard I), puesto en órbita el 17 de marzo de 1958.
Satélite estadounidense Vanguard I, 1958.
El satélite Vanguard I todavía está en órbita. Pasó más de 60 años en el espacio (considerado el objeto más antiguo hecho por el hombre en el espacio).
Vanguard I fue el primer satélite alimentado por energía solar y sus células solares proporcionaron energía al satélite durante siete años. Dejó de enviar señales a la Tierra en 1964, pero desde entonces los investigadores todavía lo han utilizado para obtener información sobre cómo el Sol, la Luna y la atmósfera de la Tierra afectan a los satélites en órbita.
Satélite estadounidense Explorer 6 con paneles solares elevados, 1959.
Con pocas excepciones, es la principal fuente de electricidad para los dispositivos que se espera que funcionen durante mucho tiempo. La capacidad total de los paneles fotovoltaicos de la Estación Espacial Internacional (ISS) es de 110 kWh.
Paneles solares en el espacio
Los precios de las primeras celdas fotovoltaicas en la década de 1950 eran de miles de dólares por vatio de potencia nominal, y el consumo de energía para producirlas excedía la cantidad de electricidad que producían estas celdas durante su vida útil.
El motivo fue, además de la baja eficiencia, que en la producción de células fotovoltaicas se utilizaron prácticamente los mismos procedimientos tecnológicos y de alto consumo energético que en la producción de microchips.
En condiciones terrestres, los paneles fotovoltaicos se utilizaron por primera vez para alimentar pequeños dispositivos en lugares remotos o, por ejemplo, en boyas, donde sería extremadamente difícil o imposible conectarlos a la red eléctrica. La principal ventaja de los paneles fotovoltaicos frente a otras fuentes de electricidad es que no necesitan combustible ni mantenimiento.
Los primeros paneles fotovoltaicos producidos en serie aparecieron en el mercado en 1979.
El creciente interés en la energía fotovoltaica como fuente de energía en la Tierra, así como en otras fuentes renovables, fue alimentado por la crisis del petróleo de la década de 1970.
Desde entonces, se ha llevado a cabo una intensa investigación y desarrollo, lo que ha dado como resultado una mayor eficiencia, precios más bajos y una mayor vida útil de las células y paneles fotovoltaicos. Al mismo tiempo, la intensidad energética de la producción ha disminuido hasta tal punto que el panel genera muchas veces más energía de la que se utilizó para producirlo.
Las grandes estructuras costeras más antiguas (todavía en uso) datan de principios de la década de 1980. En ese momento, todavía dominaban por completo las células de silicio cristalino, cuya vida útil se confirmó en condiciones reales de al menos 30 años.
Según la experiencia, los fabricantes garantizan que el rendimiento del panel disminuirá como máximo un 20% después de 25 años (sin embargo, los resultados de las instalaciones mencionadas son mucho mejores). Para otros tipos de paneles, la vida útil se estima en base a pruebas aceleradas.
Además de las células de silicio monocristalino originales, a lo largo de los años se han desarrollado varios tipos nuevos de células fotovoltaicas, película fina y cristalina… Sin embargo, el silicio sigue siendo el material dominante en la energía fotovoltaica.
La tecnología fotovoltaica ha experimentado un gran auge desde 2008, cuando los precios del silicio cristalino comenzaron a caer rápidamente, debido principalmente al traslado de la producción a China, que antes era un actor minoritario en el mercado (la mayor parte de la producción fotovoltaica se concentraba en Japón, el UU., España y Alemania).
La fotovoltaica solo se generalizó con la introducción de varios sistemas de apoyo. El primero fue el programa de subsidios en Japón y luego el sistema de precios de compra en Alemania. Posteriormente, se introdujeron sistemas similares en varios otros países.
La energía fotovoltaica es la fuente de energía renovable más común en la actualidad y también es una industria de muy rápido crecimiento. Se instala ampliamente en los techos de los edificios, así como en terrenos que no se pueden utilizar para trabajos agrícolas.
Las últimas tendencias también incluyen instalaciones de agua en forma de sistemas fotovoltaicos flotantes e instalaciones agrofotovoltaicas, combinando las instalaciones fotovoltaicas con la producción agrícola.