¿Cómo es el panorama mundial respecto a la generación de energía? ¿Cuál ha sido el impacto que han tenido en ello la pandemia de Covid-19 y las medidas adoptadas por los países en torno al calentamiento global? ¿Cuáles son los principios físicos que sirven como base a la generación de energía eléctrica? ¿Qué es el efecto fotoeléctrico y qué relación tiene con el funcionamiento de los paneles solares?

En el año 2020, según Ember Global Electricity Review 2021, la generación mediante energía eólica y solar subió un 15 por ciento; esto representó el 9.4 por ciento de la energía total generada en el mundo; mientras tanto, el uso de carbón para dichos fines decreció en un cuatro por ciento. A pesar de lo anterior, estos hechos “no van al ritmo de los objetivos climáticos”: el mundo generó más electricidad a partir de combustibles fósiles en 2020 que en 2015, año en que 190 países firmaron el Acuerdo de París y se comprometieron a reducir la emisión de gases de efecto invernadero. Si bien a raíz de la pandemia la demanda de energía eléctrica decreció en 0.1 por ciento, la tendencia se ha revertido de 2021 a la fecha.

¿Cómo es que se genera la energía eléctrica? En las centrales eléctricas convencionales (termoeléctricas, nucleoeléctricas, hidroeléctricas, etc.) el procedimiento de generación de energía consiste en hacer girar una turbina mediante la acción de un fluido y transferir dicho movimiento al imán del generador. Al moverse este imán al interior de una bobina se está haciendo variar el campo magnético y esto induce una corriente eléctrica. Se trata de una aplicación directa del Principio de Inducción de Faraday.

Pero para el funcionamiento de los paneles solares, el principio físico que opera es el efecto fotovoltaico, un caso particular del efecto fotoeléctrico. ¿En qué consisten ambos?

El efecto fotoeléctrico (también llamado fotoemisión) es un fenómeno que consiste en que, al hacer incidir luz sobre una placa metálica, los electrones pueden ser expulsados de la superficie del metal (con ese movimiento de electrones se genera electricidad). A los electrones expulsados por la acción de la luz se les llama fotoelectrones.

En el Siglo XIX se realizaron numerosos experimentos para tratar de explicarlo, pero los resultados obtenidos parecían contradecir la concepción clásica de la luz como onda. En 1905, Albert Einstein propuso un modelo nuevo en el que la luz puede comportarse como partículas (denominadas fotones) y su energía depende de la frecuencia del rayo incidente (ecuación de Planck). Las ideas de Einstein y de Planck sirvieron como base para el desarrollo de una nueva teoría de la física: la mecánica cuántica.

En el efecto fotovoltaico ocurre un paso adicional: se produce una diferencia de potencial o voltaje entre dos puntos del material que funciona como una “bomba” que empuja electrones a través de un circuito cerrado.

Las células fotovoltaicas están formadas por dos placas hechas a base de silicio, que es un semiconductor. A estas redes cristalinas de silicio se les agregan impurezas (átomos de otros elementos) para conseguir que a la placa de arriba le “sobren” electrones (adquiera carga negativa) mientras que a la de abajo le “falten” (adquiera carga positiva). Debido a estas diferencias en la región de unión se forma un equilibrio de cargas (parte neutra) y es aquí donde entra el efecto fotovoltaico: los rayos (fotones) inciden en la región neutra y el movimiento de electrones que se produce rompe el equilibrio de cargas: al aumentar el número de electrones libres en la placa de arriba se genera entre ambas placas la diferencia de potencial buscada, la que empuja a los electrones a través del circuito: ¡se ha generado la corriente eléctrica!

Los avances de la física y sus aplicaciones en la industria de la energía son innegables, como también lo son los gravísimos problemas de carácter ambiental que amenazan a la humanidad. Estos últimos tienen sus raíces (a veces ocultas, como los fotones) en el injusto sistema económico mundial.