Resumen
Aunque el efecto fotovoltaico fue descubierto en fecha tan temprana como 1839, su explicación teórica se demoró por más de 60 años y su aplicación práctica en dispositivos capaces de convertir la energía solar en eléctrica con eficiencias aceptables, por más de un siglo, ya que la primera célula solar moderna es de 1954. En este artículo describo esa historia, desde los primeros dispositivos prácticos –realizados en la primera mitad del siglo XX–, pasando por la utilización de las primeras células solares de silicio en satélites artificiales, hasta las grandes crisis del petróleo en la década de 1970, momento que marca el despegue de esta tecnología, con la que finalizo el artículo.
El consumo de energía en el planeta no deja de crecer un año tras otro. Hoy en día nos encontramos ante un incremento sin precedentes en su demanda debido al aumento de la población mundial y al alza del nivel de vida de una parte muy significativa de la misma. La energía barata y abundante sigue siendo crucial para el desarrollo económico de cualquier país, pero hoy en día sabemos que el incremento en el consumo de energía va indisolublemente unido al aumento de las emisiones de Gases de Efecto Invernadero provocadas por la quema de combustibles fósiles, lo que provoca efectos muy nocivos sobre la temperatura del planeta. Una acción eficaz para paliar este devastador efecto exige planes creíbles para que los sistemas de producción de energía a escala nacional y regional, de una parte, eviten casi por completo la explotación de fuentes de combustibles fósiles y, de otra, sean escalables a una demanda de energía creciente para una población de aproximadamente 9.000-10.000 millones de personas a mediados de siglo, y quizá más de 12.000 millones a finales de siglo. Esto pasa, necesariamente, por sustituir en los mix energéticos las tecnologías basadas en combustibles fósiles por las renovables, entre las que la energía solar fotovoltaica se sitúa como una tecnología líder en esta empresa [1]. Pero esta fuente energética ha tenido un largo recorrido científico y tecnológico desde sus orígenes hasta llegar al grado de madurez que ha alcanzado en la actualidad. Veremos en este artículo cual ha sido ese recorrido.
1. Los inicios y los primeros dispositivos prácticos
El descubrimiento del efecto fotovoltaico, base de funcionamiento de las células solares, se remonta al siglo XIX, cuando Edmond Becquerel [1] lo describió en 1839 [2]. Trabajando en el laboratorio de su padre cuando tenía diecinueve años, generó electricidad al iluminar un electrodo de platino con luz de diferentes longitudes de onda -incluidas las longitudes de onda características de la luz solar-. Para lograrlo, sumergió dos electrodos en un electrolito que tenía diluida una pequeña concentración de ácido nítrico y observó que si uno de los electrodos se iluminaba con luz, se generaba una diferencia de potencial entre ellos. Este es el primer documento del que se tiene constancia que describe el conocido como efecto fotovoltaico (aunque no en un sólido), base del funcionamiento de las células solares modernas.
La literatura científica recoge otras experiencias llevadas a cabo en este campo en la segunda mitad del siglo XIX, como es el caso del fenómeno de la fotoconductividad en un material sólido, el selenio. En 1877, W. G. Adams y R. E. Day utilizaron un dispositivo experimental en el que situaron contactos de platino entre los extremos de un pequeño cilindro de selenio amorfo [3]. El objetivo del experimento era comprobar si se inducía corriente en el selenio al iluminar la muestra, como en efecto así ocurrió. Su experiencia fue la primera demostración del efecto fotoconductor en una muestra de material sólido, aunque tuvieron que pasar varias décadas antes de que esos resultados tuvieran una explicación teórica satisfactoria. Esta llegaría con el advenimiento de la Física Cuántica a comienzos del siglo XX, gracias a los trabajos de Albert Einstein para explicar el fenómeno, que denominó Efecto Fotoeléctrico y que fue la razón por la que obtuvo el Premio Nobel de Física del año 1921.
El siguiente hecho relevante se produjo seis años después, en 1883, nuevamente con el selenio como material objeto de estudio. Este trabajo se los debemos a C. E. Fritts, que con razón se considera el primer científico en fabricar una célula solar propiamente dicha [4]. Fritts prensó una pasta de selenio fundido entre dos placas hechas de dos metales diferentes. De esta forma preparó una lámina delgada de selenio, que se quedó adherida al metal inferior del conjunto. A continuación, colocó encima del selenio una capa de oro tan fina que era semitransparente a la radiación solar y así fabricó el primer dispositivo fotovoltaico de lámina delgada del que tenemos constancia. El dispositivo fabricado por Fritts tenía una eficiencia de conversión de la energía solar en energía eléctrica meramente testimonial, ya que era inferior al 1%. Este dispositivo tenía 30 cm2 de área; su funcionamiento se basaba en las propiedades de la unión entre un metal y un semiconductor, lo que hoy día se conoce como una Barrera Schottky, en el que el metal era la fina capa de oro. Su dispositivo cumplía las dos condiciones imprescindibles para que se produzca efecto fotovoltaico en un sólido: era un dispositivo asimétrico o rectificador para la corriente eléctrica y permitía que la luz llegara a la unión de dicho dispositivo, a través de la capa de oro semitransparente. Fritts fue también uno de los primeros científicos en darse cuenta del enorme potencial que tenían los dispositivos fotovoltaicos. Constató las grandes ventajas que asociamos hoy en día a esta tecnología: bajos costes de fabricación, posibilidad de almacenar la energía producida mediante baterías para su posterior utilización, transmitir la energía obtenida a otro punto para ser usada allí, etc.
En el siglo XX, ya entrada la década de 1930, diversos dispositivos basados en los materiales semiconductores habituales en aquellos años (selenio, Cu2O) mostraron efecto fotovoltaico, y en 1939 una célula solar construida con un material bastante “exótico” (sulfuro de talio, Tl2S) por F.C. Nix y A.W. Treptwo -ambos científicos trabajaban en Bell Labs–, también mostró efecto fotovoltaico apreciable.
Simultáneamente al desarrollo de estas primeras células solares, el silicio recibía cada vez más atención debido a su uso en rectificadores utilizados en equipos de radio. Las investigaciones desarrolladas en estos años sobre los métodos de purificación del silicio -con objeto de fabricar detectores de ondas de radio fiables y de comportamiento reproducible-, posibilitaron una mejor comprensión de sus propiedades. Russell S. Ohl, un excelente científico experimental que trabajaba en los Bell Labs, descubrió accidentalmente la presencia de una barrera bien definida en una oblea de silicio obtenida a partir de silicio de alta pureza disponible comercialmente -todo lo alta que se podía obtener en aquellos años, alrededor de 99%-. En 1941, trabajando en una muestra que acababa de obtener, observó que tenía una fractura y comprobó que fluía corriente al iluminarla. La fractura, que se formó de manera accidental en el proceso de obtención de la muestra, marcaba la frontera entre dos zonas, en cada una de las cuales se habían segregado impurezas de diferentes tipos. Ohl había fabricado, sin ser consciente de ello, una unión PN, la base de cualquier célula solar.
Ohl detalló sus descubrimientos en dos patentes [5], incluso antes de conocer en profundidad el papel que las impurezas juegan en las propiedades del silicio. Leyendo las patentes se puede ver en ellas una descripción detallada de lo que en la actualidad se considera la primera célula solar moderna basada en este semiconductor, con una eficiencia de conversión del 1% -aunque, hay que insistir en ello, obtenida de manera fortuita-. La figura 1 muestra las figuras principales de las patentes que describen el lingote de silicio con la zona de la fractura, así como los dispositivos que Ohl obtuvo a partir de ella:
Figura 1. Las figuras clave de las patentes de R. S. Ohl: (a) Lingote de silicio recién solidificado, que muestra la región de la fractura, donde se formó la unión PN; (b) dispositivo fotovoltaico cortado perpendicular a la unión; (c) dispositivo cortado en paralelo a la unión
La fractura permitió definir una unión “natural” en piezas extraídas del lingote, tal y como muestra las partes (b) y (c) de la figura. Ambos dispositivos mostraron una apreciable respuesta fotovoltaica y buenas propiedades rectificadoras. Un extremo de cada dispositivo desarrolló un potencial negativo cuando se iluminaba o calentaba. El material con estas propiedades se denominó silicio de tipo “negativo” o N, y el material del tipo opuesto se denominó de tipo “positivo” o tipo P. Esa identificación, que perdura en nuestros días, se debe al signo de la tensión que había que aplicar a ambos extremos del dispositivo para que fluyera corriente a su través: negativo en la zona N y positivo en la P. Posteriormente se mostró que el silicio “negativo” estaba impurificado con impurezas donoras y el silicio “positivo”, lo estaba con impurezas aceptoras. Esta posibilidad de generar corriente y sobre todo tensión llamó la atención del director de investigación de Bell Labs, Mervin Kelly, quien advirtió a Ohl y su equipo de mantener en secreto dicho hallazgo, algo frecuente en aquellos años, los primeros de la segunda guerra mundial, aunque antes del ataque de Japón a Pearl Harbor. Una vez que hubo finalizado el conflicto, Ohl señaló: “El gobierno no había declarado la guerra, por lo que no podían clasificarlo como secreto, pero la empresa sí. Así que trabajamos como si hubiera una guerra un año antes de que la guerra fuera declarada realmente”.
El dispositivo descrito por Ohl funcionaba de manera similar a los dispositivos de lámina delgada disponibles en ese momento, pero el método de preparación, totalmente fortuito como ya hemos visto, no facilitaba en absoluto producirlo de una forma comercial por razones obvias, no hay más que volver a mirar las figuras de la patente de Ohl. Sin embargo, estaba claro que si se pudiera encontrar un método adecuado para producir dispositivos de gran área, se podrían hacer células solares comercialmente viables. De hecho, estos trabajos pioneros de Ohl permitieron desarrollar más tarde las primeras células solares comerciales de silicio. De manera que podemos decir, con merecida justicia, que todos los dispositivos de unión, tanto emisores como detectores de radiación (LEDs, Laser, fotodetectores, células solares) son descendientes y herederos por consiguiente del excelente trabajo que Ohl llevó a cabo en la década de 1940.
2. La primera célula solar moderna
Con todo y con eso, el efecto fotovoltaico no pasó de ser una rara curiosidad científica durante la primera mitad del siglo XX. Hubo que esperar hasta 1954 para que se fabricara la primera célula solar de silicio de área elevada propiamente dicha, a manos de los científicos D.M. Chapin, C.S. Fuller y G.L. Pearson (figura 2) de nuevo de los laboratorios de la Bell Telephone Company [6]. Estas células tenían una eficiencia de conversión energética del 6%, muy superior a la de los primitivos dispositivos de Fritts y al de Ohl, lo que abrió las primeras perspectivas reales para la obtención de energía eléctrica mediante células solares. Desde entonces el silicio, tanto monocristalino como multicristalino, se ha mantenido como el semiconductor dominante para aplicaciones fotovoltaicas y ha ejercido y ejerce en la actualidad una fuerte hegemonía en el mercado de las células solares, en buena medida gracias a los avances de la industria microelectrónica basada en ese semiconductor, al que podemos calificar como el “Rey” del mundo de los semiconductores.
Figura 2. G. L. Pearson (izquierda), D. M. Chapin (centro) y C. S. Fuller (derecha). Derecha: Cuaderno de laboratorio de Fuller, describiendo los fundamentos de la célula solar fabricada en los Laboratorios Bell. Fuente de la imagen: E. Wesoff, “Happy 60th Anniversary to the Modern Solar Cell”, Greentechmedia, 21-abril-2014
Tras la presentación pública del dispositivo de Bell Telephone, el diario The New York Times, en su número de 26 de abril de 1954 publicó un artículo en el que bajo el sugestivo título Vast power of the sun is tapped by battery using sand ingredien” (“La enorme energía del Sol es aprovechada por una batería que utiliza un ingrediente de la arena”) [3], se hacía, en el segundo párrafo, el siguiente comentario sobre la invención de la célula solar, de carácter auténticamente premonitorio:
“Puede marcar el comienzo de una nueva era, permitiendo la realización de uno de los sueños más queridos por la humanidad: el aprovechamiento de la energía ilimitada del sol para los usos de la civilización”
En 1955, es decir, al año siguiente del anuncio de la Bell Telephone, ciertas industrias, impulsadas por el comienzo del programa espacial estadounidense, recibieron el encargo de producir células solares para aplicaciones espaciales. En particular, la empresa Hoffman Electronic fue la primera en fabricar estos dispositivos comercialmente, aunque con una eficiencia de conversión muy baja, de sólo el 3%. Ese mismo año en Americus (Georgia, EE. UU.), se hizo la primera instalación de un sistema telefónico rural (ver figura 3) que utilizaba transistores y células solares de Bell Telephone:
Figura 3. Publicidad de los Bell Telephone Laboratories del uso de células solares como fuente de energía de un sistema de comunicaciones telefónicas autónomo instalado en Americus, (Georgia, EE. UU.). La imagen muestra a un operario subido a un poste del cableado telefónico instalando un módulo fotovoltaico
A partir de los resultados que mostró este primer sistema de comunicaciones autónomo, los ingenieros de Bell comprobaron que, desde el punto de vista de la fiabilidad y del funcionamiento, el módulo fotovoltaico integrado por células solares e instalado en un poste de sujeción de los cables telefónicos, se podía usar convenientemente para suministrar electricidad a los equipos telefónicos rurales. No obstante, esto no dejó de ser una “prueba de concepto”, ya que el coste de las células solares aconsejaba seguir utilizando fuentes de energía convencionales para esos sistemas.
Dado que las eficiencias de conversión aumentaron constantemente desde el 6% inicial, pronto hubo estudios teóricos para establecer el límite superior de la eficiencia en las células solares. Wiliam B. Shockley y Hans J. Queisser demostraron en un artículo publicado en 1961 que se podía lograr una eficiencia de hasta el 30% para un material con propiedades similares a las del silicio [7]. Sin embargo, dado que en aquellos años la industria de fabricación de silicio de alta pureza estaba todavía poco desarrollada, pronto se hizo evidente que el entusiasmo inicial era prematuro. No obstante, las células solares resultaron ser adecuadas para su uso en los satélites artificiales, industria que empezaba en aquellos años y esta fue su principal aplicación hasta principios de la década de 1970.
3. Primeras aplicaciones: la industria aeroespacial
En 1958 se lanzó al espacio el satélite Vanguard-I, primero que utilizó células solares como fuente de energía y que estaría operativo durante ocho años. Se muestra en la figura 4:
Figura 4. Satélite Vanguard-I, cuyo tamaño era similar al de una pelota de fútbol. Las células solares que suministraban la energía del satélite están distribuidas por toda su superficie. Los operarios de la imagen están instalando el satélite en el cohete que lo lanzó al espacio el 17-marzo-1958. Fuente de la imagen: The Editors of Encyclopedia Britannica “Vanguard satellite”, 20-julio-1998
A comienzos de la década de 1960, se pusieron en órbita los primeros satélites de un programa destinado a cubrir las comunicaciones entre América y Europa, conocidos con el nombre de Telstar, que también estaban alimentados por células solares. El primero de ellos, Telstar 1 fue lanzado al espacio en julio de 1962 y permitió la transmisión con éxito de llamadas telefónicas y de las primeras imágenes de televisión, posibilitando la primera transmisión de televisión transatlántica en directo (figura 5). El Telstar 1 pesaba 77 Kg, con un diseño esférico de 87,6 cm. de diámetro. Construido por un equipo de Bell Labs supuso todo un hito para la época. Telstar 2 se lanzó el 7 de mayo de 1963, y aunque ya no funciona ninguno, aún siguen en órbita alrededor de la Tierra.
Figura 5. Imagen de una satélite Telstar. Los cuadrados de mayor tamaño son las células solares que se distribuyen por toda su superficie. Fuente de la imagen: K. Zipp, “50th Anniversary of Telstar Satellite Launch: A Milestones Solar Pioneering”, Solar Power World, 10-mayo-2012. También se puede citar como: NASA, Public domain, via Wikimedia Commons
A comienzos de la década de 1960, el programa Man on the Moon, lanzado por el Presidente de los EE. UU., John F. Keneddy dio un nuevo impulso al desarrollo de las células solares, ya que tanto en los satélites artificiales, como en los vehículos tripulados con los que se llegaría a la Luna en 1969, se necesitaban baterías de energía eléctrica autónomas, ligeras y fiables y las células solares reunían todos estos requisitos. Aunque la electricidad obtenida con estos dispositivos era carísima (por encima de 100 €/kWh, con precios actualizados al momento presente), el coste que representaban las baterías era muy bajo en comparación con el resto de los componentes de los vehículos espaciales.
4. El despegue definitivo de la energía solar fotovoltaica: las grandes crisis del petróleo de los años 70
La tecnología de las células solares se impulsó enormemente gracias a la industria microelectrónica, de la que tomó buena parte de sus procesos de fabricación. Gracias a ello, en muy pocos años se obtuvieron dispositivos con eficiencias de conversión de energía solar en energía eléctrica del 15%. El desarrollo en el ámbito espacial prosiguió durante las décadas de 1960 y 1970. En 1973, la primera estación espacial estadounidense, el Skylab, tenía instalados 20 kW de potencia en paneles fotovoltaicos. El año 1975 fue el primero en que las aplicaciones terrestres superaron a las espaciales, principalmente debido al aumento de instalaciones destinadas a suministrar energía a faros de costa y pequeñas plantas de producción de carácter experimental.
La brusca subida de los precios del petróleo acaecida en la década de 1970 motivó un fuerte aumento del interés por los dispositivos fotovoltaicos. La primera gran convulsión en el precio del petróleo se produjo en el otoño de 1973 cuando, a raíz de la guerra del Yom Kipur (el conflicto que enfrentó a Israel con Egipto y Siria), la OPEP (Organización de Países Exportadores de Petróleo) decretó el embargo de las ventas de petróleo a los estados que apoyaron a Israel, principalmente a EE. UU. Dicho embargo se prolongó por espacio de seis meses y al finalizar, en marzo de 1974, los precios nominales habían subido de 3 a 12 dólares/barril (en moneda actual, de 18 a 72). Pero lo peor estaba por venir, pues a comienzos de 1979, la revolución de Irán primero y el inicio de la guerra Irán-Irak después, provocaron nuevas alzas indiscriminadas en los precios, subiendo de 13 a 34 dólares/barril entre 1979 y 1981, (de 50 a 131 actuales).
5. Epílogo
Lo que ha venido después ha sido una progresiva evolución en la que la tecnología de las células solares ha ido madurando paulatinamente, hasta alcanzar, a comienzos de este siglo, valores de la eficiencia de conversión por encima del 25%. Las aplicaciones de la energía de origen solar no cambiaron significativamente respecto a lo ocurrido en las décadas precedentes: instalaciones en lugares de difícil acceso de la red eléctrica, pequeños objetos domésticos como relojes y calculadoras de bolsillo y pequeños huertos solares de carácter experimental. Esta situación cambió a comienzos del presente siglo, momento a partir del que el uso de energías renovables se ha ido extendiendo paulatinamente en el mundo en general y en los países desarrollados en particular. En países como Japón, Alemania, España, Italia, Estados Unidos, China y otros se comenzó a incentivar el uso de esta fuente de energía mediante el pago de primas por la electricidad producida. Simultáneamente, los principales fabricantes de paneles fotovoltaicos se desplazaron desde el ámbito de las compañías petroleras y de las industrias electrónicas a fabricantes específicos, que lideran el mercado desde la década de 2010. Hoy en día, la energía solar fotovoltaica se ha convertido en una fuente más de producción de energía eléctrica a gran escala, gracias a los grandes huertos solares con potencias instaladas superiores a 500 MW que proliferan por todo el planeta. Además, en la actualidad, de acuerdo con los últimos informes de la Agencia Internacional de la Energía, la energía eléctrica de origen fotovoltaico es la forma más barata de producirla [8].
4. Referencias
[1] Ignacio Mártil, “Energía solar. De la utopía a la esperanza” (Guillermo Escolar Ediciones, Madrid, 2020). ISBN: 978-8418093180
[2] E. Becquerel, “Mémoire sur les effets électriques produits sous l’influence des rayons solaires”. Comptes Rendus. 9, 561 (1839); E. Becquerel, “Mémoire sur le rayonnement chimique qui accompagne la lumière solaire et la lumière électrique”, Comptes Rendus 11, 702 (1840)
[3] W. G. Adams and R. E., Day, “The Action of Light on Selenium”, Proceedings of the Royal Society, London, A25, 313 (1877). DOI: 10.1098/rstl.1877.0009
[4] C.E. Fritts, «On a New Form of Selenium Photocell«, Proc. American Assoc. for the Advancement of Science, Vol. 33, p.97, 1883; véase también, C.E. Fritts, “On a new form of selenium cell, and some electrical discoveries made by its use”, American J. of Science, 26, 465 (1883); DOI: 10.2475/ajs.s3-26.156.465
[5] R. S. Ohl, “Light-Sensitive Electric Device”, (Patente US 2402662A), Fecha de solicitud: 27-mayo-1941; fecha de aprobación: 25-junio-1946; R. S. Ohl, “Light-sensitive electric device including silicon”, (Patente US 2443542). Fecha de solicitud: 27-mayo-1941; fecha de aprobación: 15-junio-1948
[6] D. M. Chapin, Fuller, C. S., and Pearson, G. L., “A New Silicon P-N Junction Photocell for Converting Solar Radiation into Electrical Power”, Journal of Applied Physics, vol. 25, 676, (1954). DOI: 10.1063/1.1721711.
[7] W. Shockley and H. J. Queisser, “Detailed Balance Limit of Efficiency of pn Junction Solar Cells”, Journal of Applied Physics, vol. 32, 510 (1961). DOI: 10.1063/1.1736034
[8] World Energy Outlook 2021, International Energy Agency (https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2021)
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