Física fotovoltaica: cómo el sol se convierte en electricidad en | ORBITECH

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¿Alguna vez te has preguntado por qué en Colombia, con tanto sol —especialmente en La Guajira donde el brillo solar alcanza hasta 6 $kWh/m$ ^{2} al día—, seguimos dependiendo de la energía de la red que sube y baja de precio cada mes? La respuesta está en la física detrás de los paneles solares que transforman esos rayos en electricidad limpia. Imagina que tu casa en Bogotá pudiera generar su propia energía como lo hace el Metro de Medellín con sus paneles en techos o que los hoteles de Cartagena redujeran su factura eléctrica usando el sol del Caribe. Vamos a descifrar, término por término, cómo la luz se convierte en corriente que enciende tu bombillo, carga tu celular o incluso hace rodar los buses eléctricos por las calles de Medellín. ¿Listo para convertirte en experto en el sol colombiano?

Aplicaciones cotidianas

factura de energía (noun) /fak.tu.ra de e.ner.xi.a/

Documento emitido por las empresas de servicios públicos que detalla el consumo de electricidad en un período, expresado en kilovatios-hora (kWh) y su costo en pesos colombianos (COP).

Sinónimos : recibo de luz

En Colombia, el costo del kWh varía entre 400 y 1 200 $COP$ según la región y el estrato socioeconómico.

C o s t o = C o n s u m o \times T a r i f a

La factura de energía de la familia López en Bogotá bajó de 300 000 $COP$ a 80 000 $COP$ al mes después de instalar paneles solares que generan el 70% de su consumo.

Aplicaciones fotovoltaicas

autoconsumo (noun) /au.to.kon.su.mo/

Sistema en el que la energía generada por paneles solares se consume directamente en el lugar donde se produce, reduciendo la dependencia de la red eléctrica y las facturas de energía.

Sinónimos : consumo propio

En Colombia, el autoconsumo con paneles solares puede reducir la factura de energía hasta en un 80% para hogares y negocios.

La familia Gómez en Bogotá instaló paneles solares en su casa y ahora su factura de energía bajó de 250 000 $COP$ a solo 50 000 $COP$ al mes gracias al autoconsumo.

Dispositivos fotovoltaicos

celda solar (noun) /sel.da so.lar/

Dispositivo electrónico que convierte directamente la luz solar en electricidad mediante el efecto fotovoltaico. Generalmente está hecha de silicio y tiene un grosor de 0.2 mm.

Sinónimos : célula fotovoltaica, célula solar

Una celda solar típica genera entre 3 y 4 $W$ bajo luz solar directa, pero al conectarlas en serie y paralelo se obtienen voltajes y corrientes útiles.

P_{s a l i d a} = V_{O C} \cdot I_{S C} \cdot F F

La celda solar que instalaron en el Colegio Distrital de Suba (Bogotá) produce 3.5 $W$ en un día soleado, suficiente para cargar 5 celulares simultáneamente.

Energía solar

irradiación solar (noun) /i.rra.dja.sjon so.lar/

Cantidad de energía solar recibida por unidad de área en un lugar y tiempo determinados, medida en

kWh/m

^{2}/día. En Colombia varía desde 3

kWh/m

^{2}/día en zonas nubladas hasta 6

kWh/m

^{2}/día en La Guajira.

Sinónimos : brillo solar, insolación

La Guajira es la región con mayor potencial solar de Colombia, con irradiación similar a desiertos como el de Atacama en Chile.

G = \frac{E}{A \cdot t}

En La Guajira, la irradiación solar supera los 6 $kWh/m$ ^{2}/día, lo que permite generar hasta un 30% más de electricidad que en Bogotá, donde es de 4.2 $kWh/m$ ^{2}/día.

ubicación geográfica (noun) /u.bi.ka.sjon xe.o.gra.fi.ka/

Posición en el planeta que determina la cantidad y calidad de la radiación solar recibida. Factores como la latitud, altitud, clima y época del año afectan el potencial fotovoltaico de una región.

Sinónimos : posición geográfica

En Colombia, la ubicación es clave: La Guajira tiene el mayor potencial solar, mientras que el Pacífico y la Amazonía tienen menor irradiación.

Mientras que en Medellín (latitud 6°N) la irradiación es de 4.2 $kWh/m$ ^{2}/día, en La Guajira (latitud 12°N) supera los 6 $kWh/m$ ^{2}/día, ideal para paneles solares.

Energía y medio ambiente

energía renovable (noun) /e.ner.xi.a re.no.va.ble/

Energía obtenida de fuentes naturales que se regeneran a una escala de tiempo humana, como la solar, eólica, hidroeléctrica o biomasa. No produce emisiones de gases de efecto invernadero durante su operación.

Sinónimos : energía limpia

Colombia tiene un potencial enorme en energía solar, especialmente en La Guajira, donde la irradiación supera los 6 $kWh/m$ ^{2}/día.

La energía solar es una de las renovables más prometedoras para Colombia, donde el 70% del territorio tiene un brillo solar superior a 4.5 $kWh/m$ ^{2}/día.

huella de carbono (noun) /ue.lla de kar.bo.no/

Indicador que mide la cantidad total de gases de efecto invernadero (GEI) emitidos directa o indirectamente por una actividad, producto o persona. Se expresa en toneladas de CO₂ equivalente.

Sinónimos : impacto ambiental

Instalar paneles solares en Colombia puede reducir la huella de carbono de una familia en hasta 2 toneladas de CO₂ al año, equivalente a plantar 100 árboles.

H C = \sum_{i} E_{i} \cdot F_{i}

El sistema fotovoltaico del Edificio de la Alcaldía en Medellín evitó la emisión de 15 toneladas de CO₂ en 2023, equivalente a retirar 7 autos de la circulación por un año.

Física cuántica

fotón (noun) /fo.ton/

Partícula elemental que transporta la energía de la luz. Su energía depende de la frecuencia (o longitud de onda) de la luz: a mayor frecuencia, mayor energía.

Sinónimos : cuanto de luz

Los fotones con energía mayor que la banda prohibida del semiconductor pueden generar pares electrón-hueco; los de menor energía pasan sin ser absorbidos.

E = h \cdot ν = \frac{h \cdot c}{λ}

Cuando un fotón de luz azul (alta energía) golpea un panel solar, genera un par electrón-hueco; uno de luz roja (baja energía) puede no tener suficiente energía para excitar electrones.

Física de materiales

semiconductor (noun) /se.mi.kon.dak.tor/

Material con conductividad eléctrica intermedia entre conductores y aislantes. Su conductividad aumenta con la temperatura o la iluminación, propiedad clave para las celdas solares.

Sinónimos : material semiconductor

Sin semiconductores como el silicio, no existirían los paneles solares modernos.

El silicio es el semiconductor más usado en paneles solares porque es abundante en la arena y tiene propiedades ideales para convertir luz en electricidad.

Física de partículas

electrón (noun) /e.lek.tron/

Partícula subatómica con carga negativa que orbita alrededor del núcleo atómico. En semiconductores, los electrones libres transportan corriente eléctrica.

Sinónimos : partícula negativa

En las celdas solares, los electrones son los portadores de carga que generan la corriente cuando son excitados por la luz.

En el panel solar del Edificio del Banco de la República en Bogotá, millones de electrones son liberados por la luz solar cada segundo para generar electricidad.

Física de semiconductores

banda prohibida (noun) /ban.da pro.hi.bi.da/

Rango de energías que un electrón no puede ocupar en un semiconductor. Determina qué longitudes de onda de luz pueden ser absorbidas para generar electricidad.

Sinónimos : brecha de banda, gap de energía

Un semiconductor con banda prohibida de 1.1 $eV$ (como el silicio) absorbe luz visible, pero no infrarroja.

E_{g} = h \cdot ν_{m \overset{´}{ı} n i m o}

El arseniuro de galio tiene una banda prohibida de 1.43 $eV$ , por eso sus paneles son más eficientes que los de silicio en condiciones de poca luz.

barrera de potencial (noun) /ba.rre.ra de po.ten.sjal/

Diferencia de energía que deben superar los portadores de carga para moverse entre regiones de un semiconductor. En la unión pn, esta barrera es creada por el campo eléctrico interno.

Sinónimos : barrera de energía

La altura de la barrera de potencial determina el voltaje en circuito abierto ( $V_{O} C$ ) de una celda solar.

q \cdot V_{b i}

En el panel solar del Colegio, la barrera de potencial de 0.7 $eV$ permite que los electrones generados por la luz sean separados y contribuyan a la corriente.

capa n (noun) /ka.pa ene/

Región de un semiconductor dopada con impurezas que donan electrones libres (por ejemplo, fósforo en silicio). Los electrones son los portadores mayoritarios.

Sinónimos : región n

En una celda solar, la capa n suele ser la superficie que recibe la luz para maximizar la absorción de fotones.

La capa n del panel solar del Edificio Inteligente en Medellín tiene un grosor de 0.3 $mm$ y está dopada con fósforo para aumentar la conductividad.

capa p (noun) /ka.pa pe/

Región de un semiconductor dopada con impurezas que crean huecos (por ejemplo, boro en silicio). Los huecos son los portadores mayoritarios.

Sinónimos : región p

En la celda solar, la capa p está en la parte inferior y atrae a los electrones generados por la luz, completando el circuito eléctrico.

La capa p del panel solar instalado en el Colegio Mayor de Cundinamarca está dopada con boro para crear una región rica en huecos que atraen electrones.

conducción balística (noun) /kon.duk.sjon ba.lis.ti.ka/

Movimiento de portadores de carga (electrones o huecos) a través de un material sin sufrir colisiones con átomos o impurezas. Ocurre en materiales muy puros y a bajas temperaturas.

Aunque la conducción balística es teóricamente posible, en la práctica los dispositivos fotovoltaicos usan difusión y deriva por campos eléctricos.

L_{b a l \overset{´}{ı} s t i c a} = v_{t e r m a l} \cdot τ_{c o l i s i \overset{´}{o} n}

En dispositivos experimentales de laboratorios avanzados, la conducción balística permite velocidades de electrones superiores a 10^6 $m/s$ , pero no se usa en paneles solares comerciales.

difusión (noun) /di.fu.sjon/

Movimiento de portadores de carga (electrones y huecos) desde regiones de alta concentración a baja concentración debido a un gradiente de concentración. Es el principal mecanismo de transporte en celdas solares.

Sinónimos : transporte por difusión

En la unión pn, los electrones difunden hacia la capa p y los huecos hacia la capa n, creando el campo eléctrico interno que genera la corriente.

J_{n} = q \cdot D_{n} \cdot \frac{d n}{d x}

La difusión de electrones desde la capa n hacia la capa p en el panel solar del Universidad de Antioquia es lo que permite generar corriente eléctrica.

dopaje (noun) /do.pa.xe/

Proceso de añadir impurezas controladas a un semiconductor puro para modificar sus propiedades eléctricas. Determina si el material será tipo n o tipo p.

Sinónimos : dopado

Sin dopaje, el silicio puro no tendría portadores de carga libres y no podría generar electricidad en un panel solar.

Para fabricar la capa n de un panel solar en Bucaramanga, se dopa el silicio con fósforo en una proporción de 1 átomo de fósforo por cada 10 millones de átomos de silicio.

efecto fotoeléctrico (noun) /efek.to fo.to.elek.tri.ko/

Fenómeno en el que la luz arranca electrones de un material, generalmente hacia el vacío. A diferencia del efecto fotovoltaico, los electrones no permanecen en el material.

Sinónimos : emisión fotoeléctrica

Es el efecto que explica por qué algunos metales liberan electrones al ser iluminados, pero no genera electricidad útil en paneles solares.

E_{f o t \overset{´}{o} n} = h \cdot ν

El efecto fotoeléctrico explica por qué los sensores de las puertas automáticas en centros comerciales de Medellín se activan con la luz.

efecto fotovoltaico (noun) /efek.to fo.to.vol.ta.i.ko/

Fenómeno físico en el que un material semiconductor genera electricidad al absorber luz. La energía de los fotones excita electrones, creando pares electrón-hueco que se separan y generan una corriente eléctrica.

Sinónimos : generación fotovoltaica, conversión fotovoltaica

Es la base de toda la energía solar fotovoltaica: sin este efecto, no existirían los paneles solares.

P = η \cdot A \cdot G

Cuando instalaron paneles solares en el techo del Colegio San Carlos en Bogotá, el efecto fotovoltaico convirtió la luz solar en electricidad que ahora alimenta las computadoras del laboratorio.

hueco (noun) /ue.ko/

Ausencia de un electrón en la banda de valencia de un semiconductor. Se comporta como una carga positiva móvil que contribuye a la conducción eléctrica.

Sinónimos : laguna electrónica, hueco electrónico

La generación de pares electrón-hueco es el corazón del efecto fotovoltaico: cada fotón crea un electrón y un hueco que se mueven en direcciones opuestas.

Cuando un fotón golpea el silicio en un panel solar, excita un electrón dejando atrás un hueco; ambos se mueven hacia los electrodos opuestos generando corriente.

par electrón-hueco (noun) /par e.lek.tron ue.ko/

Par de portadores de carga (un electrón y un hueco) generado cuando un fotón es absorbido por un semiconductor. Su separación crea la corriente eléctrica en una celda solar.

Sinónimos : portadores de carga

La vida útil de estos pares determina cuánto tiempo pueden contribuir a la generación de electricidad antes de recombinarse.

En los paneles solares de Cali, cada fotón del sol genera un par electrón-hueco que, si no se recombina, viaja hacia los contactos metálicos para producir corriente.

recombinación (noun) /re.kom.bi.na.sjon/

Proceso en el que un electrón y un hueco se recombinan, liberando energía en forma de calor o luz. Reduce la eficiencia de las celdas solares porque elimina portadores de carga útiles.

Sinónimos : aniquilación de portadores

Minimizar la recombinación es clave para aumentar la eficiencia de los paneles solares; por eso se usan materiales de alta pureza y capas antirreflejantes.

τ = \frac{1}{B \cdot (n_{0} + p_{0} + Δ n)}

En los paneles solares de Medellín, la recombinación es mayor debido a la humedad, lo que reduce su eficiencia en un 5% comparado con zonas secas.

unión pn (noun) /u.njon pe ene/

Región de contacto entre un semiconductor tipo p (con huecos como portadores mayoritarios) y tipo n (con electrones como portadores mayoritarios). Crea un campo eléctrico interno que separa los pares electrón-hueco.

Sinónimos : juntura pn, diodo pn

La unión pn es el corazón de la celda solar: sin ella, los portadores de carga se recombinarían y no habría corriente útil.

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

En el panel solar del Universidad Nacional de Bogotá, la unión pn permite que los electrones vayan hacia el lado n y los huecos hacia el lado p, generando un voltaje de 0.6 $V$ por celda.

Infraestructura energética

red eléctrica (noun) /red e.lek.tri.ka/

Sistema interconectado que transporta y distribuye electricidad desde las centrales generadoras hasta los usuarios finales. En Colombia, es operada por empresas como EPM y Codensa.

Sinónimos : sistema eléctrico nacional

Los sistemas fotovoltaicos conectados a la red pueden inyectar el excedente de energía para obtener créditos en la factura (medición neta).

Cuando el sistema fotovoltaico del Colegio genera más energía de la que consume, el excedente se inyecta a la red de Codensa y se compensa en la factura.

Materiales fotovoltaicos

arseniuro de galio (noun) /ar.se.niu.ro de ga.li.o/

Compuesto semiconductor (GaAs) con banda prohibida de 1.43

eV

, usado en celdas solares de alta eficiencia y aplicaciones espaciales. Es más caro que el silicio pero tiene mejor rendimiento en condiciones de poca luz.

Sinónimos : GaAs

El arseniuro de galio es ideal para satélites y aplicaciones donde el peso y la eficiencia son críticos, pero su alto costo lo hace poco viable para uso masivo en Colombia.

Los paneles solares de arseniuro de galio se usan en satélites colombianos como el FACSAT-1 porque son más ligeros y eficientes que los de silicio.

silicio (noun) /si.li.sjo/

Elemento químico semiconductor con número atómico 14. Es el material más usado en celdas solares por su abundancia, bajo costo y propiedades eléctricas ideales.

Sinónimos : Si

El silicio representa más del 95% del mercado de paneles solares porque es barato, eficiente y fácil de procesar.

En Boyacá, las minas de arena rica en cuarzo (principal fuente de silicio) permiten fabricar paneles solares locales para proyectos rurales.

Materiales fotovoltaicos avanzados

perovskitas (noun) /pe.ros.ki.tas/

Familia de materiales con estructura cristalina similar al mineral perovskita (CaTiO₃). Las perovskitas híbridas orgánico-inorgánicas tienen eficiencias récord superiores al 25% en laboratorio y son prometedoras para paneles solares de bajo costo.

Las perovskitas podrían revolucionar la energía solar en Colombia por su bajo costo de producción y alta eficiencia, aunque su durabilidad aún es un desafío.

Investigadores de la Universidad Nacional están probando celdas solares de perovskita que podrían alcanzar eficiencias del 22% a un costo menor que el silicio.

Parámetros eléctricos

corriente de cortocircuito (I_SC) (noun) /ko.rrien.te de kor.to cir.kui.to/

Corriente máxima que puede generar una celda o panel solar cuando sus terminales están conectados directamente (voltaje cero). Depende de la intensidad de la luz y el área del dispositivo.

Sinónimos : I_sc

En Colombia, una celda de 6 $pulgadas$ puede tener una $I_{S} C$ de 8 $A$ bajo luz solar directa.

I_{S C} = \frac{q \cdot G \cdot A \cdot η}{E_{f o t \overset{´}{o} n}}

El panel solar del Colegio San José en Barranquilla tiene una corriente de cortocircuito de 9.5 $A$ , suficiente para alimentar un ventilador pequeño.

curva I-V (noun) /kur.ba i u.ve/

Gráfico que muestra la relación entre la corriente (I) y el voltaje (V) de una celda o panel solar. Permite determinar parámetros como la corriente de cortocircuito (

I_{S} C

), voltaje en circuito abierto (

V_{O} C

) y potencia máxima (

P_{M} P P

).

Sinónimos : característica I-V

La forma de la curva I-V revela la calidad de la celda solar: una curva cuadrada indica un buen factor de llenado y alta eficiencia.

I (V) = I_{S C} - I_{0} [\exp (\frac{q V}{n k T}) - 1] - \frac{V + I R_{s}}{R_{s h}}

Al medir la curva I-V del panel solar del Colegio, los estudiantes encontraron que el punto de máxima potencia estaba en 32 $V$ y 12.5 $A$ , confirmando su eficiencia del 18%.

eficiencia (η) (noun) /e.fi.sjen.sja/

Relación entre la potencia eléctrica generada por una celda o panel solar y la potencia de la luz solar incidente. Se expresa en porcentaje.

Sinónimos : rendimiento

Los paneles comerciales tienen eficiencias entre 15% y 22%; los de laboratorio pueden superar el 40%.

η = \frac{P_{s a l i d a}}{P_{l u z}} = \frac{V_{O C} \cdot I_{S C} \cdot F F}{G \cdot A}

El panel solar instalado en el Hotel Dann Carlton en Cartagena tiene una eficiencia del 19%, lo que significa que convierte el 19% de la luz solar en electricidad.

factor de llenado (FF) (noun) /fak.tor de ye.na.do/

Parámetro que indica la 'cuadratura' de la curva corriente-voltaje de una celda solar. Cuanto mayor sea el FF, más eficiente es la celda. Valores típicos están entre 0.7 y 0.85.

Sinónimos : FF, fill factor

Un FF alto significa que la celda puede entregar más potencia al acercarse a su punto de máxima potencia (MPP).

F F = \frac{P_{M P P}}{V_{O C} \cdot I_{S C}}

El panel solar del Universidad de los Andes en Bogotá tiene un factor de llenado de 0.78, lo que significa que aprovecha el 78% de su potencial teórico.

potencia máxima (P_MPP) (noun) /po.ten.sja mak.si.ma/

Punto en la curva I-V de una celda o panel solar donde se obtiene la máxima potencia de salida. Se alcanza ajustando la carga conectada.

Sinónimos : punto de máxima potencia, MPP

Los inversores solares buscan constantemente el punto de máxima potencia (MPP) para optimizar la generación de energía.

P_{M P P} = V_{M P P} \cdot I_{M P P}

El panel solar del Edificio Inteligente en Medellín tiene una potencia máxima de 400 $W$ , que se alcanza cuando el voltaje es de 32 $V$ y la corriente de 12.5 $A$ .

voltaje en circuito abierto (V_OC) (noun) /vol.ta.xe en cir.kui.to a.bier.to/

Voltaje máximo que puede generar una celda o panel solar cuando no está conectado a ninguna carga (corriente cero). Depende del material y la temperatura.

Sinónimos : V_oc

En silicio, el $V_{O} C$ típico es de 0.5 a 0.7 $V$ por celda; al conectar celdas en serie, este voltaje se suma.

V_{O C} = \frac{k T}{q} \ln (1 + \frac{I_{S C}}{I_{0}})

El voltaje en circuito abierto del panel solar del Edificio de la Gobernación en Medellín es de 36 $V$ , ideal para cargar baterías de 12 $V$ con un regulador.

Sistemas fotovoltaicos

inversor (noun) /in.ver.sor/

Dispositivo electrónico que convierte la corriente continua (CC) generada por los paneles solares en corriente alterna (CA) compatible con la red eléctrica y los electrodomésticos.

Sinónimos : convertidor CC/CA

Sin inversor, la electricidad de los paneles solares no podría usarse en tu casa porque la mayoría de aparatos funcionan con CA.

V_{C A} = V_{C C} \cdot \sqrt{2} \cdot \sin (ω t)

El inversor del sistema fotovoltaico del Colegio Distrital de Bogotá convierte los 48 $V CC$ de los paneles en 120 $V CA$ para alimentar las aulas.

panel solar (noun) /pa.nel so.lar/

Conjunto de celdas solares conectadas eléctricamente y encapsuladas para protegerlas de la intemperie. Puede generar desde 100

W

hasta varios

kW

de potencia.

Sinónimos : módulo fotovoltaico, placa solar

Un panel de 400 $W$ en Barranquilla puede alimentar un refrigerador pequeño durante 6 horas en un día soleado.

P_{p a n e l} = N_{c e l d a s} \cdot P_{c e l d a}

El panel solar instalado en el techo del Terminal de Transportes de Medellín tiene 30 celdas y genera 120 $W$ , suficiente para encender las luces del estacionamiento.

sistema fotovoltaico (noun) /sis.te.ma fo.to.vol.ta.i.ko/

Conjunto de componentes que trabajan juntos para convertir la luz solar en electricidad útil: paneles solares, inversor, estructura de soporte, baterías (opcional) y protecciones eléctricas.

Sinónimos : instalación solar, planta fotovoltaica

Un sistema fotovoltaico conectado a la red puede reducir tu factura de energía; uno aislado (off-grid) es ideal para zonas rurales sin acceso a electricidad.

E_{g e n e r a d a} = η \cdot A \cdot G \cdot t

El sistema fotovoltaico del Hotel Punta Farallon en Cartagena tiene 20 paneles de 400 $W$ y genera 8 $kWh$ al día, suficiente para el 60% del consumo del hotel.