Física Fotovoltaica: Luz → Electricidad en Chile | ORBITECH

¿Qué es el efecto fotovoltaico?

El efecto fotovoltaico convierte luz en electricidad usando semiconductores como el silicio. $E_{f o t \overset{´}{o} n} = h \cdot ν \geq E_{g a p}$
Recuerda: fotón con energía suficiente "salta" la banda prohibida del semiconductor.
Ocurre cuando un electrón absorbe un fotón y pasa a un estado de mayor energía dentro del material.
¡No confundas con el efecto fotoeléctrico! Aquí el electrón no sale del material.
La separación de cargas genera un voltaje útil, clave para los paneles solares. $V_{o c} = \frac{k T}{q} \ln (\frac{I_{L}}{I_{0}} + 1)$
$V_{o c}$ es el voltaje en circuito abierto: mide la máxima tensión que puede dar el panel.

E_{f o t \overset{´}{o} n} = h \cdot ν \geq E_{g a p}

Capa tipo n (dopada con fósforo): exceso de electrones libres.
N de negativo: tiene electrones extra que quieren moverse.
Capa tipo p (dopada con boro): exceso de "huecos" (ausencia de electrones).
P de positivo: atrae electrones como un imán.
Unión p-n: crea un campo eléctrico interno que separa las cargas. $E_{c a m p o} = - \frac{d V}{d x}$
Este campo es el "motor" que genera la corriente cuando llega la luz.
Contactos metálicos: recolectan electrones y huecos para formar corriente.
Los cables de cobre en la parte trasera son los colectores de corriente.

E_{c a m p o} = - \frac{d V}{d x}

Las celdas se conectan en serie para aumentar el voltaje y en paralelo para aumentar la corriente. $V_{t o t a l} = N_{s e r i e} \cdot V_{c e l d a} I_{t o t a l} = I_{c e l d a}$
Serie = suma de tensiones; paralelo = suma de corrientes.
Un módulo típico tiene 60 o 72 celdas en serie para alcanzar ~30V.
Un panel de 400W suele tener 120 celdas en 2 strings paralelos de 60.
El vidrio templado protege las celdas y permite el paso de la luz visible.
Como el parabrisas de un auto: resistente pero transparente.

V_{t o t a l} = N_{s e r i e} \cdot V_{c e l d a}

Eficiencia típica de paneles comerciales: 15% a 22%. $η = \frac{P_{s a l i d a}}{P_{l u z i n c i d e n t e}} \times 100 %$
¡Solo 1 de cada 5 fotones genera un electrón útil! El resto se pierde en calor o reflexión.
Pérdidas por reflexión: los paneles antirreflejantes reducen este efecto. $R = {(\frac{n_{a i r e} - n_{s i l i c i o}}{n_{a i r e} + n_{s i l i c i o}})}^{2}$
$n_{s i l i c i o}$ ≈ 3.5 → R ≈ 30% sin tratamiento. Con capa antirreflejante baja a ~10%.
Temperatura: los paneles pierden eficiencia al calentarse (coeficiente típico: -0.4%/°C). $η (T) = η_{S T C} \cdot [1 - β (T - 25 °C)]$
En el Desierto de Atacama, la eficiencia baja en verano. ¡Refrigera tus paneles!

η = \frac{P_{s a l i d a}}{P_{l u z i n c i d e n t e}} \times 100 %

El Desierto de Atacama tiene la mayor radiación solar del mundo: ~7 kWh/m²/día en promedio. $E_{r a d i a c i \overset{´}{o} n} = 7000 {Wh/m}^{2} /día$
¡Es como tener 7 bombillas de 1000W encendidas en cada metro cuadrado!
Centrales como Quilapilún (Región Metropolitana) o Finis Terrae (Antofagasta) usan paneles de silicio.
Antofagasta: 1.5 GW de capacidad solar instalada (2023).
Sistemas residenciales en Santiago ahorran hasta $150 000 CLP mensuales en cuentas de luz.
Un sistema de 3 kWp en Santiago paga su costo en ~6 años con el ahorro.

E_{r a d i a c i \overset{´}{o} n} = 7000 {Wh/m}^{2} /día

Datos: Panel de 400W, radiación en Antofagasta = 7 kWh/m²/día, área del panel = 1.9 m². $E_{d i a r i a} = P_{p a n e l} \times \frac{E_{r a d i a c i \overset{´}{o} n}}{1000 {W/m}^{2}} \times η$
¡El 1000W/m² es la condición estándar de prueba (STC)!
Cálculo: 400W × (7000Wh/1000W) × 0.20 = 560 Wh/día. $E_{d i a r i a} = 400 \times 7 \times 0.20 = 560 Wh$
En la PAES te pueden pedir calcular energía diaria o mensual. ¡Practica!
Si el panel cuesta $300000 C L P y l a e n e r g \overset{´}{ı} a s e p a g a a$ 120 CLP/kWh, el retorno es en ~4.5 años. $T_{r e t o r n o} = \frac{C o s t o_{p a n e l}}{E_{a n u a l} \times T a r i f a}$
$T_{r e t o r n o}$ = 300 000 / (560Wh × 365 × 120) ≈ 4.5 años.

E_{d i a r i a} = P_{p a n e l} \times \frac{E_{r a d i a c i \overset{´}{o} n}}{1000 {W/m}^{2}} \times η

1839: Edmond Becquerel descubre el efecto fotovoltaico: Usó una celda electroquímica y observó corriente al exponerla a la luz.
Años 1950: Primeras celdas solares prácticas en satélites: Bell Labs desarrolló celdas de silicio con 6% de eficiencia para el satélite Vanguard I.
2010s: Chile lidera la energía solar en Latinoamérica: El norte del país tiene proyectos como Cielos de Tarapacá (1.1 GW) y Tamarugal (1.1 GW).
PAES incluye preguntas sobre energías renovables desde 2020: En la sección de Física, se evalúa comprensión de conceptos como eficiencia y radiación solar.