Cómo los paneles solares convierten luz en electricidad en toda C | ORBITECH

¿Por qué tu casa en Bogotá puede funcionar con el sol?

En Colombia el sol brilla con intensidad variable: 4.5 kWh/m²/día en la Costa Caribe vs 3.8 kWh/m²/día en Bogotá.
¡Cartagena tiene más sol que Medellín! Aprovecha ese recurso.
Un panel solar de 300 W cuesta entre $800.000 C O P y$ 1.200.000 COP en el mercado local.
Comparar precios en Mercado Libre Colombia antes de comprar.
El ICFES Saber 11 suele preguntar cómo se transforma la energía solar en eléctrica en la prueba de física.
Busca ejercicios tipo en el cuadernillo de simulacros.

Cuando un fotón choca con un semiconductor, excita un electrón liberando energía.
Imagina el sol como una lluvia de bolitas de energía (fotones).
La energía del fotón debe superar la banda prohibida del material para liberar el electrón. $E_{f o t \overset{´}{o} n} = h ν \geq E_{g a p}$
Para el silicio, $E_{g} a p$ ≈ 1.1 eV (electrón-voltio).
Los electrones libres generan una corriente eléctrica en el material. $I = n \cdot q \cdot v_{d} \cdot A$
n = densidad de portadores, q = carga del electrón, $v_{d}$ = velocidad de deriva.

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

El silicio es el rey: representa el 95% de los paneles solares en el mundo.
El silicio se obtiene de la arena de cuarzo, abundante en Colombia.
Otros materiales usados: telururo de cadmio (CdTe) y arseniuro de galio (GaAs).
CdTe es más barato pero menos eficiente que el silicio.
El dopaje con fósforo (tipo n) y boro (tipo p) crea la unión p-n esencial.
P como donador de electrones (n), B como aceptador (p).

Capa antirreflejante: reduce la pérdida de fotones por reflexión.
Sin esta capa, hasta un 30% de la luz se pierde.
Unión p-n: aquí ocurre la magia de separación de cargas. $E = \frac{k T}{q} \ln (\frac{N_{A} N_{D}}{n_{i}^{2}})$
$N_{A}$ y $N_{D}$ son concentraciones de dopaje, $n_{i}$ es la concentración intrínseca.
Contactos metálicos: colectan los electrones para generar corriente.
Las líneas blancas en el panel son los dedos de contacto.

E = \frac{k T}{q} \ln (\frac{N_{A} N_{D}}{n_{i}^{2}})

1. Fotón (luz solar) llega al semiconductor y excita un electrón.
Energía del fotón: E = h $ν$ = $\frac{h c}{λ}$
2. El electrón salta a la banda de conducción dejando un hueco. $E_{g a p} = E_{c o n d u c c i \overset{´}{o} n} - E_{v a l e n c i a}$
En silicio, $E_{g} a p$ = 1.1 eV.
3. El campo eléctrico de la unión p-n separa electrones y huecos. $V_{o c} = \frac{n k T}{q} \ln (\frac{I_{L}}{I_{0}} + 1)$
$V_{o} c$ es el voltaje a circuito abierto.
4. Los electrones fluyen por el circuito externo generando corriente. $P = V \cdot I$
Potencia = Voltaje × Corriente (en watts).

V_{o c} = \frac{n k T}{q} \ln (\frac{I_{L}}{I_{0}} + 1)

Corriente de cortocircuito ( $I_{s} c$ ): máxima corriente que puede entregar el panel. $I_{s c} = I_{L}$
Depende directamente de la intensidad de la luz solar.
Voltaje de circuito abierto ( $V_{o} c$ ): voltaje máximo sin carga conectada. $V_{o c} = \frac{n k T}{q} \ln (\frac{I_{L}}{I_{0}} + 1)$
Usualmente entre 0.5 V y 0.7 V por célula.
Factor de forma (FF): indica la calidad de la célula (valores típicos 0.7-0.85). $F F = \frac{P_{m a x}}{V_{o c} \cdot I_{s c}}$
A mayor FF, mejor rendimiento de la célula.
Eficiencia (η): porcentaje de energía solar convertida en eléctrica. $η = \frac{P_{m a x}}{P_{i n}} = \frac{V_{o c} \cdot I_{s c} \cdot F F}{P_{i n}}$
Paneles comerciales tienen entre 15% y 22% de eficiencia.

η = \frac{V_{o c} \cdot I_{s c} \cdot F F}{P_{i n}}

1839 Edmond Becquerel descubre el efecto fotovoltaico: Usó una pila electroquímica y observó corriente al exponerla a la luz.
Silicio dopado en paneles solares: década de 1950: Las primeras células solares prácticas se desarrollaron en los laboratorios Bell.
Colombia tiene un potencial solar de 4.5 kWh/m²/día en la Costa Caribe: Ideal para proyectos de energía solar a gran escala.
El ICFES Saber 11 incluye preguntas sobre energía solar desde 2015: Revisa los cuadernillos de años anteriores en la página oficial.