El viaje del fotón

La ciencia se mueve en la frontera entre la ignorancia y el conocimiento, desplazando poco a poco los hitos hacia un mayor conocimiento.
Hace solamente cien años no se sabía cómo una estrella podía producir su energía y ahora éste y muchos otros conocimientos son accesibles a casi todas las personas.
En este corto relato, nos trasladaremos aproximadamente 150 millones de kilómetros para ir al núcleo del Sol y acompañaremos un fotón desde que nace hasta que llega a una placa fotovoltaica y genera energía eléctrica. Descubriremos cómo se crea, cómo viaja y de que manera podemos transformar su energía en electricidad.

EL ORIGEN
El núcleo de nuestra estrella es un lugar donde a causa de la presión ejercida por una gran fuerza gravitacional se produce la fusión de átomos de Hidrógeno dando como resultado la formación de Helio. Efectivamente, la energía que recibimos en la Tierra y que da origen a la vida, se genera en una reacción nuclear.

Un corte mostrando las diferentes zonas en el interior del sol. (Fuente de la imagen: nasa.gov)

Cuatro átomos de Hidrógeno se consumen para formar cada átomo de Helio. A ésta reacción se la llama fusión nuclear ya que un determinado número de átomos se fusionan para dar lugar a otro elemento mas pesado. En éste fenómeno hay una pérdida de masa, es decir, el Hidrógeno consumido pesa más que el Helio producido. ¿Qué es lo que ocurre?. Esta masa deja de serlo y se transforma en energía, tal como lo describe la ecuación de Albert Einstein (E = mc²) que tanto hemos visto por ahí en camisetas con la imagen del científico.

Albert Einstein en 1947. (Fuente de la imagen: wikipedia.org)

La energía liberada en forma de radiación es enorme y con ella se emiten unas partículas llamadas fotones. Algunos de ellos llegan a nuestro planeta entrando por la ventana de tu casa o también llegando a nuestro cuerpo, lo cual da mucho gusto en invierno.
Ahora nos remontaremos algunas decenas de miles de años que es cuando comenzó el viaje de los fotones que ahora están llegando a la Tierra.
Al crearse, el fotón se pone inmediatamente a 300.000 km/seg (299.792.458 m/s para ser un poco más precisos) sin rampa de aceleración ni nada: de cero a 300.000. Pero nuestro amigo comienza a chocar con toda partícula que se va encontrando en el camino y en esas colisiones es absorbido y re-emitido en una dirección distinta a la que tenía. Cada fotón tiene su propio periplo hasta que escapa de la estrella. Esto se describe matemáticamente como un camino aleatorio, en inglés Random Walk (RW). De acuerdo a modelos basados en esta función matemática, se ha determinado que desde que se forma hasta que llega a la superficie del sol, el fotón pasa entre 10.000 y 170.000 años viajando en su interior.

La luz escapa del núcleo del sol a través de un camino aleatorio, siendo absorbida y emitida por los átomos que encuentra en el camino. (Fuente de la imagen: nasa.gov)

Cuando llega a la superficie, ya lo tiene más fácil y en el espacio exterior está libre para viajar con una trayectoria menos complicada.
En caso de que haya salido en dirección hacia la tierra, en solamente 499 segundos ya estará interactuando otra vez.
Casi todo lo que vemos a nuestro alrededor ocurre a causa de la energía del sol: la vida, el viento, las lluvias y hasta el petróleo, originado por la transformación de materia orgánica procedente de un pasado remoto.
La energía que ha estado usando la humanidad en toda su historia proviene directa o indirectamente del sol o de alguna otra estrella como en el caso del material radioactivo.
Recientemente, la sociedad se ha hecho dependiente de la energía eléctrica. Toda mejora de confort y salud – a la que no estamos dispuestos a renunciar – está basada en esta. Paradójicamente, la salud del medio ambiente se ha ido deteriorando en forma paralela ya que la naturaleza no es un recurso inagotable.
Afortunadamente, la tecnología actual nos da la posibilidad de transformar directamente la energía de los fotones en energía eléctrica en lo que llamamos plantas o instalaciones fotovoltaicas.
Antes de continuar con la historia del fotón, vamos analizar el fenómeno físico que hace posible la transformación de luz en electricidad.

EL EFECTO FOTOELÉCTRICO
El fenómeno que tiene lugar en un panel fotovoltaico, más específicamente en cada una de las celdas que lo componen se llama efecto fotoeléctrico, el cual fue descubierto y descrito por Heinrich Hertz en 1887.

Heinrich Rudolf Hertz alrededor de 1893. (Fuente de la imagen: wikipedia.org)

Pero fue Albert Einstein quien fue capaz de explicar el fenómeno en 1905 en su artículo “Heurística de la generación y conversión de la luz” y por esto fue galardonado con el Premio Nobel de Física.

Einstein, en 1905, época en la que trabajaba para la oficina de patentes. (Fuente de la imagen: wikipedia.org)

La explicación se basa en comprender de manera básica la estructura atómica y el comportamiento de las partículas: Los átomos de todos los elementos, están compuestos por un núcleo de carga positiva que contiene la mayor parte de su masa y por un entorno que es una nube de electrones con carga negativa, muy ligeros, moviéndose en lo que llamamos orbitales.
(Llamar a las cargas eléctricas opuestas positiva y negativa es simplemente una convención, Se les podría haber llamado blanca y negra, macho y hembra o también podríamos haber dicho que la positiva era la del electrón. Son simplemente nombres que se les han dado).
En algunos átomos, como los de Silicio, los orbitales más externos tienen electrones que pueden escaparse fácilmente si reciben un extra de energía, como por ejemplo la que aporta un fotón y que está descrita en la relación de Planck por la siguiente fórmula:

E=h.f

Donde E es la energía, h la constante de Planck y f la frecuencia asociada al fotón. A mayor frecuencia, mayor energía. Esto quiere decir que por ejemplo un fotón en el espectro infrarrojo proporciona menos energía que un fotón del ultravioleta.

Max Planck en 1933. (Fuente de la imagen: wikipedia.org)

LOS PANELES FOTOVOLTAICOS
Los paneles fotovoltaicos se componen de varias celdas conectadas en serie. Cada celda suministra corriente continua (como las pilas) al recibir luz solar.
Las celdas se fabrican con láminas de un semiconductor. Mayoritariamente se usa el Silicio, uno de los elementos mas abundantes en la superficie de la Tierra.

Celdas fotovoltaicas

Entre las propiedades de los semiconductores, está la de que cuando es expuesto a la luz, un fotón (ese del que estábamos hablando) arranca un electrón (carga negativa) de su orbital llevándolo a otro sitio mas alejado del núcleo que llamamos banda de conducción y donde se encuentra mas libre para moverse. Esto origina a la vez un “hueco” (carga positiva) en el sitio que ocupaba. Lo normal, en el Silicio puro es que las cargas vuelvan al equilibrio y el electrón regrese a ocupar un “hueco” liberando en forma de calor la energía que había recibido del fotón.
Ahora bien, lo que interesa es que esto no ocurra, y que el electrón se vea forzado a circular en lugar de regresar a un hueco, y así generar una corriente eléctrica. Esto se consigue contaminando o “dopando” Silicio puro.
El átomo de Silicio tiene una estructura basada en cuatro electrones de valencia en su orbital externo, esto significa que tiene capacidad para crear cuatro enlaces. De esta manera, en estado puro, cada átomo de Silicio se encuentra unido a otros cuatro.
Para fabricar celdas fotovoltaicas, al igual que diodos, transistores o microprocesadores, el Silicio debe contener una mínima cantidad de determinada impureza que lo hará donante de electrones (Tipo N) o receptor de electrones (Tipo P).
Como impureza que aporta electrones se suele usar el Fósforo que tiene cinco electrones de valencia (uno más que el Silicio) y como impureza que aporta huecos, el Boro con tres electrones de valencia (uno menos que el Silicio). Al agregado de estas impurezas se le llama “dopado”.
Al unir una lámina tipo N (Silicio dopado con Fósforo) con otra tipo P (Silicio dopado con Boro), hay una migración de electrones libres desde la tipo N a la tipo P, creándose en la unión una zona de carga positiva en el material tipo N (que ha perdido electrones) y una zona de carga negativa en el material tipo P (que ha ganado electrones). Esto da origen a una diferencia de potencial y un campo eléctrico en la zona de unión que permite el flujo de electrones solo en una dirección. Ésta es la clave para entender el funcionamiento de una celda (y también de un diodo o un transistor). En el caso de la celda, la lámina tipo N es la que está expuesta al sol.

Esquema de lo que ocurre en la unión de un semiconductor tipo P con otro de tipo N. Si se cierra el circuito, al incidir la luz habrá un flujo de electrones saliendo por la región tipo N

Volvamos ahora al fotón que había salido del sol y teníamos con trayectoria directa a una celda fotovoltaica. Cuando éste fotón cede su energía a un electrón de la lámina tipo N lo arranca de su orbital y se crea un par electrón-hueco. A causa del campo eléctrico cada uno irá en dirección opuesta (con lo cual el electrón no regresa al hueco) y así se generará una corriente eléctrica si cerramos el circuito saliendo los electrones por la región tipo N.

Ahora es solo una cuestión de escala: varias celdas interconectadas forman un panel fotovoltaico, y varios paneles fotovoltaicos interconectados generan un campo fotovoltaico que proporciona energía eléctrica en forma de Corriente Continua. Conectando este campo fotovoltaico a unos dispositivos que transforman la Corriente Continua en Corriente Alterna llamados inversores, (también onduladores o inverters) obtendremos energía eléctrica con las características de la que se transporta y se consume en hogares, edificios, lugares públicos, fábricas, etc.
Así finaliza el largo viaje del Fotón en el espacio y en el tiempo para, en este caso, generar energía eléctrica. Puedes ir ahora a coger una bebida fría al frigorífico o calentar agua para una infusión en el microondas.