APROVECHAMIENTO DE LA ENERGIA SOLAR

FOTOVOLTAICA

GANADO RANGEL CELSO ANTONIO

RESENDIZ FLORES OLIVIA

VAQUERO BENITEZ LUIS FERNANDO

VELAZQUEZ ESQUIVEL KEVIN ANATOLIO

VITE ESPINOZA LEONARDO DANIEL

GRUPO 602

IXMIQUILPAN, HIDALGO. A 31 DE MAYO DE 2011

PRÓLOGO

La presente obra pretende que el lector haga conciencia y valore el contexto mundial

actual y los problemas de falta de recursos, proponer el uso de mecanismos que

proporcionen otras formas distintas de energía renovables no contaminantes y sobre todo

eficientes, en este caso el uso de celdas solares fotovoltaicas. La obra se realizada por la

necesidad de obtener energía eléctrica a base de un recurso que se dice “inagotable” que

se llama energía solar, la cual sería un factor clave de aprovechamiento en cualquier lugar

donde esté disponible y funcionando a la perfección este artefacto. El contenido de la obra

refleja la investigación constante y detallada de lo que implica el desarrollo del tema y su

relación con su contexto.

DEDICATORIA

A nuestros padres que por su gran esfuerzo que han hecho a lo largo de su vida han

trabajo arduamente para formar personas de bien y de estudio, que con su apoyo

podemos salir adelante y a Dios principalmente por sus bendiciones y su sabiduría.

INDICE

INTRODUCCION..................................................................................................................................7

1. ESTADO DEL ARTE......................................................................................................................2

1. OBJETO DE ESTUDIO...................................................................................................................9

1.1 Propósito de la investigación....................................................................................................9

1.2 Planteamiento del problema....................................................................................................9

1.3 Formulación de la hipótesis......................................................................................................9

2. MARCO TEÓRICO.........................................................................................................................10

2.2 El Efecto fotovoltaico.............................................................................................................10

2.3 Principio de funcionamiento de una celda solar....................................................................10

2.3.1 Proceso del efecto fotovoltaico...........................................................................................10

2.3.2 Efecto fotoeléctrico.............................................................................................................13

2.3.3 Interpretación del efecto fotoeléctrico...............................................................................13

2.3.4 Hipótesis de Einstein. Los fotones. Cuantificación de la energía.........................................14

2.3.5 Ecuación de Einstein del efecto fotoeléctrico......................................................................16

2.3.6 Aplicaciones de la célula fotoeléctrica.................................................................................16

2.3.7 Ondas materiales.................................................................................................................17

2.3.8 Relación entre la energía del fotón y la longitud de onda de la luz.....................................18

2.4 Celdas caseras; celdas solares de Cu2O..................................................................................20

4. PLAN DE TRABAJO........................................................................................................................21

4.1 Procedimiento para desarrollar el trabajo experimental.......................................................21

4.1.1 Materiales...........................................................................................................................21

4.1.2 Procedimiento.....................................................................................................................22

5. RECOPILACION DE DATOS............................................................................................................23

6. ANALISIS E INTERPRETACION DE LOS DATOS...............................................................................25

CONCLUSIONES................................................................................................................................27

FUENTES DE INFORMACIÓN.............................................................................................................28

APÉNDICE Y/ANEXOS.......................................................................................................................29

RESUMEN

La energía solar fotovoltaica es en la actualidad uno de los recursos renovables que

brindan una eficacia en la generación de energía eléctrica, tiene como Brindar

conocimientos actuales y herramientas que permitan el aprovechamiento de la energía

solar fotovoltaica frente a problemas específicos, en base al conocimiento teórico y

práctico, en forma experimental. Para poder llevar a cabo el proyecto es necesario llevar a

realizar una metodología experimental en la cual se manipularon variables como la energía

solar (independiente) y energía eléctrica (dependiente), las celdas solares fotovoltaicas

utilizan como materia prima láminas de cobre que quemándola produce acido cuproso que

actúa como un semiconductor, y una lámina no quemada, formando una especia de

emparedado entre estas placas existe una sustancia electrolítica hecha de gel más sal,

mencionando que el gel es 80% agua al reaccionar con la sal trabaja como sustancia

electrolítica capaz de transportar electrones en movimiento que representan energía

eléctrica, los fotones excitan a los electrones presentes en la capa de óxido cuproso,

habiendo pequeños saltos electrónicos que permiten que los electrones de desprendan del

elemento esto realizado en el llamado efecto fotovoltaico. En la parte experimental de la

metodología se aplicó lo investigado, la intención prender un led mediante la conexión en

serie de las celdas fotovoltaicas, es de mencionar que estas celdas no son muy eficientes

comparadas con las de silicio, como conclusión estamos muy satisfechos de los buenos

resultados obtenidos ya que producimos 0.70 V, cumpliendo con nuestro objetivo de

producir energía eléctrica.

INTRODUCCION

En el presente trabajo experimental se identifica el estado de arte en cual se menciona la

historia de las celdas fotovoltaicas tiene sus inicios desde la época de Alejandro Volta

quien definió el concepto fotovoltaico, cual ha sido su trascendencia a largo de sus

aplicaciones en la vida así como la eficiencia en la producción de energía eléctrica. El

propósito de la investigación es brindar conocimientos actuales y herramientas que

permitan el aprovechamiento de la energía solar fotovoltaica frente a problemas

específicos, en base al conocimiento teórico y práctico, en forma experimental, en este

caso la elaboración de celdas fotovoltaicas hechas del material de cobre, es necesario

definir cuál es el problema, ya que partiendo de este se manipularan las variables en el

experimento; ¿Cómo se genera energía eléctrica a partir del uso de celdas solares? La

hipótesis manejada; Las celdas solares son dispositivos semiconductores diseñados para

captar la radiación del sol en fotones donde los fotones ceden su energía produciendo un

desplazamiento de electrones dando lugar a la generación de energía eléctrica para su

aprovechamiento. Los conceptos básicos para su desarrollo parten del llamado

Efecto fotovoltaico: transformación parcial de la energía luminosa en energía eléctrica,

donde los fotones excitan a los electrones, desprendiéndose y formando electrones en

movimiento que dan lugar a la energía eléctrica para su aprovechamiento, para la

elaboración de las celdas solares es necesario contar con placas de cobre, una quemada

que actúa como semiconductor y otra no quemada, una positiva y otra negativa, utilizando

como sustancia electrolítica a gel con sal que forman agua más sal, capaces de

transportar a los electrones, la conexión en serie de estos dispositivos proporcionan

energía eléctrica comprobado mediante el uso de un multímetro.

2

1. ESTADO DEL ARTE

La historia de las celdas fotovoltaicas tiene sus inicios desde la época de Alejandro

Volta quien definió el concepto fotovoltaico, ya después hasta 1839 por el físico

Alexandre Becquerel quien reconoció el efecto fotovoltaico.” En 1876, mientras

Adams y Day se hallaban experimentando con la conductividad de unas varillas de

selenio amorfo embebidas en hierro, descubrieron que se creaba una diferencia de

potencial cuando sus aparatos eran iluminados.” (Espluga, 2011)1 Pero la primera celda

fue construida hasta 1883 por  Charles Fritts quien recubrió una muestra

de selenio semiconductor con un pan de oro para formar el empalme. Este primitivo

dispositivo presentaba una eficiencia de sólo un 1%. Russell Ohl patentó la célula solar

moderna en el año 1946, aunque Sven Ason Berglund había patentado, con anterioridad,

un método que trataba de incrementar la capacidad de las células fotosensibles.

“Luego, Albert Einstein describió lo que era el efecto fotoeléctrico, en el cual se

basa hoy la tecnología fotovoltaica, por dicho trabajó consiguió el premio Nobel de física.”

(celdas fotovoltaicas, 2011)1 Con toda esta información, conocimientos y avances, los

Laboratorios Bell crearon el primer módulo fotovoltaico en 1954 apareciendo allí las

primeras celdas fotovoltaicas; como su fabricación era bastante costosa y en aquella

época el precio resultaba algo injustificado, la producción de celdas fotovoltaicas decayó

hasta 1960 se describió que existían materiales semiconductores de silicio que al ser

contaminados intencional se volvían extremadamente sensibles a la luz, es con esos

materiales que se construyó una celda de mayor eficiencia, de aquí en adelante se inició

la carrera por la mejora de las celdas.

Fue en este año en donde la industria espacial comenzó a hacer uso de esta

tecnología para conseguir energía eléctrica y distribuirlas luego a bordo de sus naves; fue

3

a través de los programas espaciales que los científicos y técnicos pusieron énfasis en la

energía solar y sus beneficios; cuando su uso alcanzó un alto grado de confiabilidad, se

pudo lograr una reducción en los costos.

Con el descubrimiento de los semiconductores, entonces se buscó la manera de

mejorar las células solares lo cual provoco la creación de la primera célula comercial la

cual tenía un 16% de aprovechamiento, la URSS en el lanzamiento de un satélite el cual

poseía estas células un año después fueron los estados unidos quienes incorporaron

estas células en sus satélites. En el diseño de éste se usaron células solares creadas

por Peter Iles en un esfuerzo encabezado por la compañía Hoffman Electronics.

En 1970 la primera célula solar con heteroestructura de arseniuro de galio (GaAs)

y altamente eficiente se desarrolló en la extinta URSS por Zhore Alferov y su equipo de

investigación.

“La producción de equipos de deposición química de metales por vapores

orgánicos o MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition), no se desarrolló hasta

los años 80 del siglo pasado, limitando la capacidad de las compañías en la manufactura

de células solares de arseniuro de galio. La primera compañía que manufacturó paneles

solares en cantidades industriales, a partir de uniones simples de GaAs, con una

4

eficiencia de AM0 (Air Mass Zero) del 17% fue la norteamericana ASEC (Applied Solar

Energy Corporation). La conexión dual de la celda se produjo en cantidades industriales

por ASEC en 1989, de manera accidental, como consecuencia de un cambio del GaAs

sobre los sustratos de GaAs a GaAs sobre sustratos de germanio.

En una muestra de metal, los electrones exteriores de sus átomos, denominados

electrones de valencia pueden moverse libremente. Se dice que están des localizados en

regiones del espacio que ocupan toda la red cristalina, como si de una malla se tratase.

En términos energéticos esto quiere decir que los electrones de la última capa del átomo

ocupan niveles de energía altos que les permite escaparse del enlace que les une a su

átomo”(Wikipedia, 2011).

5

El conjunto de estos niveles, muy próximos unos de otros, forman parte de la

llamada banda de conducción (en adelante BC). Esta banda está formada, además, por

niveles de energía vacíos y es, precisamente, la existencia de estos niveles vacíos la que

permite que los electrones puedan saltar a ellos cuando se les pone en movimiento, al

aplicar un campo eléctrico. Precisamente esta circunstancia permite que los metales sean

conductores de la electricidad.

Los demás electrones del átomo, con energías menores, forman la banda de

valencia (BV). La distancia entre ambas bandas, en términos de energía, es nula. Ambas

bandas se solapan de manera que los electrones de la BV con más energía se

encuentran, también, en la BC.

En las sustancias aislantes, la BC está completamente vacía porque todos los

electrones, incluidos los de la última capa están ligados al átomo, tienen una energía más

baja, y por lo tanto se encuentran en la banda de valencia, y además la distancia entre las

bandas (se denomina a esta distancia energética banda prohibida, o gap) es bastante

grande, con lo que les es muy difícil saltar a la BC. Como la BV está llena, los electrones

no pueden moverse y no puede haber corriente eléctrica al aplicar un voltaje entre los

extremos del aislante.

En los semiconductores, las bandas de valencia y conducción presentan una

situación intermedia entre la que se da en un conductor y la que es normal en un aislante.

La BC tiene muy pocos electrones. Esto es debido a que la separación que hay entre la

BV y la BC no es nula, pero si pequeña. Así se explica que los semiconductores

aumentan su conductividad con la temperatura, pues la energía térmica suministrada es

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suficiente para que los electrones puedan saltar a la banda de conducción, mientras que

los conductores la disminuyen, debido a que las vibraciones de los átomos aumentan y

dificultan la movilidad de los electrones.

Lo interesante de los semiconductores es que su pequeña conductividad eléctrica

es debida, tanto a la presencia de electrones en la BC, como a que la BV no está

totalmente llena.

El avance en la tecnología provoco que en el mundo, se buscara la mejora y la

búsqueda de una mejor forma para el aprovechamiento de la energía producida por el sol,

ya que hasta después de 1954 solo se tenía un aprovechamiento de un 16% es entonces

que de aquí en adelante se buscó mejorar esta tecnología, ya que la utilización de esto es

de gran utilidad para las nuevas tecnologías.

La tecnología solar que más se ha desarrollado ha sido el fotovoltaico sin

concentración, debido a su enorme flexibilidad en su uso, pues los módulos de celdas

solares fotovoltaicas pueden ser usados en arreglos que comprendan desde un solo

módulo de unas cuantas decenas de W de potencia hasta sistemas mayores al MW, sin

que varíe el rendimiento y sin que se modifique notablemente el precio por W instalado,

pues existen inversores de corriente desde unas decenas de W hasta decenas de MW de

potencia disponibles en el mercado. Sin embargo debido a la relativa poca densidad de

potencia solar disponible durante el día, es importante para disminuir el costo relativo de

la estructura de soporte de las celdas el que su rendimiento para aplicaciones de potencia

superior a 100 W, que el rendimiento de las celdas sea superior al 10 % y de que su vida

sea superior a los 20 años, sin que el rendimiento disminuya más del 10 %. Actualmente

solo las celdas de silicio mono-cristalino y poli-cristalino cumplen estas condiciones. Las

celdas de silicio mono-cristalino suelen tener una garantía de 25 años, las de poli-cristal

20 años las de película delgada solo tienen garantizada hasta ahora una vida de 10 años,

pero una pequeña empresa francesa-holandesa, la Free Energy Europe produce desde

1985 celdas de silicio amorfo que han demostrado durar más de 20 años y tener durante

el día una eficiencia tan buena como las celdas cristalinas. Las celdas de pigmentos

sensibles, que tienen un potencial de costo extremadamente bajo y con procesos de

7

producción muy simples no están a punto todavía para su utilización comercial.

El mercado fotovoltaico ha crecido a una tasa anual del 25 % en los últimos 25

años, acelerándose en los últimos seis, ahora la producción crece en promedio el 31 % al

año. En 2004 se superó la producción de 1 GW al año, dominando el mercado las poli-

cristalinas provenientes de varias tecnologías básicas de producción incluso la obtención

de listones en forma continua de hasta 10 cm de ancho que posteriormente son cortados

en rectángulos de hasta 20 cm de largo por medio de láser. Esta última tecnología permite

un importante ahorro de silicio ultra-puro y en el verano de 2006 estará lista en Alemania

una fábrica de dicho tipo de celdas con tecnología norte americana de Aberreen y capital

alemán de Q-Cells con una capacidad de 30 MW al año y planes de crecer

posteriormente a 120 MW. Desde el punto de vista del modo de utilización, en los últimos

cuatro años el uso de celdas fotovoltaicas interconectadas a la red eléctrica, tanto en uso

para industrias o comercios, como para hogares, ha crecido un 60 % al año.

“En los últimos tres años ha habido verdaderos saltos, tanto teóricos como

técnicos en el fotovoltaico, gracias a los materiales derivados de la nano-tecnología,

sobresalen los trabajos de Richard Schaller y Victor Klimev de los Alamos National

Laboratorys que podrían llevar a la producción a nivel laboratorio de celdas fotovoltaicas

basadas en nano cristales con 60 % de rendimiento y del grupo de Arthur Nozik del

National Renewable Energy Laboratory que, utilizando materiales con nano-puntos de

PbSe y de PbS que permiten rendimientos cuánticos del 300 % , es decir la producción de

tres electrones a partir de un solo fotón de alta energía en un proceso llamado

“generación múltiple de exitones”, obteniendo 65 % de rendimiento a nivel laboratorio, que

probablemente se traducirá en la producción a nivel industrial de celdas con un 30 %

dentro de unos 10 a 15 años. También ha habido desarrollos casi equivalentes en los

laboratorios japoneses, obteniendo celdas con rendimientos superiores al 50 %. Eso

probablemente de una ventaja casi decisiva a la energía solar fotovoltaica frente a otras

fuentes renovables, cuando menos abajo de los 45° de latitud, salvo en lugares con

vientos extraordinarios.

Por otra parte la tecnología de encapsulado de las celdas ha seguido avanzando,

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abaratándose y mejorando su resistencia frente a la intemperie. 

La producción de paneles fotovoltaicos llegó a 1700 MW en el 2005, si el

crecimiento promedio histórico del 31 % al año se mantiene y el costo por Watt instalado

sigue bajando al 5 % al año muy pronto muchas personas considerarán normal instalar

sobre los techos de sus hogares celdas solares fotovoltaicas, en lugar de confiar en las

empresas eléctricas, sobre todo para garantizar el suministro a los sistemas críticos.

Ningún sistema de generación eléctrica crece tan rápido como el fotovoltaico.” (Magar, fis.

Roger, 2011)3

1. Espluga. (2004). Celdas fotovoltaicas. Extraído el 30/05/11 en

http://www.angelfire.com/electronic2/electronicaanalogica/celda.html

2. Energía solar. (2006). Celdas fotovoltaicas. Extraído el 30/05/11 en

http://www.instalacionenergiasolar.com/energia/celdas-fotovoltaicas.html

3. Magar, Fis. Roger.(2007-2008). Sobrevivencia. Extraído el 30/05/11

http://sobrevivencia.org/index.php?ind=reviews&op=entry_view&iden=11

9

1. OBJETO DE ESTUDIO

1.1 Propósito de la investigaciónBrindar conocimientos actuales y herramientas que permitan el aprovechamiento

de la energía solar fotovoltaica frente a problemas específicos, en base al

conocimiento teórico y práctico, en forma experimental.

1.2 Planteamiento del problema¿Cómo se genera energía eléctrica a partir del uso de celdas solares?

1.3 Formulación de la hipótesisLas celdas solares son dispositivos semiconductores diseñados para captar la

radiación del sol en fotones donde los fotones ceden su energía produciendo un

desplazamiento de electrones dando lugar a la generación de energía eléctrica

para su aprovechamiento.

10

2. MARCO TEÓRICO2.1 Las celdas fotovoltaicas

Las celdas fotovoltaicas son elementos que producen electricidad al incidir la luz sobre su

superficie. La fuente de luz utilizada generalmente es el sol, considerando su costo

marginal nulo. Estas celdas también son conocidas como baterías solares, fotopilas o

generadores helio voltaicos.

2.2 El Efecto fotovoltaicoEfecto fotovoltaico: transformación parcial de la energía luminosa en energía eléctrica. La

primera célula solar fue fabricada por Charles Fritts en 1884. Estaba formada por selenio

recubierto de una fina capa de oro.

2.3 Principio de funcionamiento de una celda solarLa forma más común de las celdas solares se basa en el efecto fotovoltaico, en el cual la

luz que incide sobre un dispositivo semiconductor de dos capas produce una diferencia

del potencial entre las capas. Este voltaje es capaz de conducir una corriente a través de

un circuito externo de modo de producir trabajo útil. La parte más importante de las celdas

solares son las capas de semiconductores.

2.3.1 Proceso del efecto fotovoltaicoDesde el punto de vista eléctrico, el “efecto fotovoltaico” se produce al incidir la radiación

solar (fotones) sobre los materiales definidos como semiconductores extrínsecos. La

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energía que reciben estos provenientes de los fotones, provoca un movimiento caótico de

electrones en el interior del material.

Al unir dos regiones de un semiconductor al que artificialmente se había dotado de

concentraciones diferentes de electrones, mediante los elementos que denominábamos

dopantes, se provocaba un campo electrostático constante que reconducía el movimiento

de electrones. Recordemos que este material formado por la unión de dos zonas de

concentraciones diferentes de electrones la denominábamos unión PN, pues la célula

solar en definitiva es esto; una unión PN en la que la parte iluminada será la tipo N y la no

iluminada será la tipo P.

 De esta forma, cuando sobre la célula solar incide la radiación, aparece en ella una

tensión análoga a la que se produce entre las bornas de una pila. Mediante la colocación

de contactos metálicos en cada una de las caras puede “extraerse” la energía eléctrica,

que se utilizará para alimentar una carga.

12

Para que se produzca el efecto fotovoltaico debe cumplirse que:

Por otro lado y dando

una explicación desde

un punto de vista

cuántico, su

funcionamiento se basa

en la capacidad de

transmitir la energía de

los fotones de la

radiación solar a los

electrones de valencia

de los materiales semiconductores, de manera que estos electrones rompen su enlace

que anteriormente los tenía ligado a un átomo. Por cada enlace que se rompe queda un

electrón y un hueco (falta de electrón en un enlace roto) para circular dentro del

semiconductor. El movimiento de los electrones y huecos en sentidos opuestos

(conseguido por la existencia de un campo eléctrico como veremos posteriormente)

genera una corriente eléctrica en el semiconductor la cual puede circular por un circuito

externo y liberar la energía cedida por los fotones para crear los pares electrón-hueco. El

campo eléctrico necesario al que hacíamos referencia anteriormente, se consigue con la

unión de dos semiconductores de diferente dopado, como vimos al principio de esta

sección: Un semiconductor tipo P (exceso de huecos) y otro tipo N (exceso de

electrones). Que al unirlos crea el campo eléctrico E.

13

2.3.2 Efecto fotoeléctrico

Se llama efecto fotoeléctrico al proceso de emisión de electrones en la superficie de un

metal alcalino cuando inciden sobre él las radiaciones de la luz (visibles y ultravioletas).

Las características de la emisión fotoeléctrica referida a un metal son:

La emisión de electrones es instantánea al incidir la luz sobre el metal.

El aumentar la intensidad luminosa se incrementa el número de electrones

emitidos, pero no la velocidad de salida.

La velocidad de los electrones emitidos solo depende de la frecuencia de la

radiación incidente.

Para cada metal existe una cierta frecuencia umbral, por debajo de la cual no se

produce emisión fotoeléctrica.

2.3.3 Interpretación del efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico es un fenómeno general, pero las experiencias citadas del cinc y

del metal alcalino indican que la emisión de los electrones depende de la frecuencia de la

luz excitatriz. Cuando se someten los metales a la acción sucesiva de las radiaciones

luminosas, desde la radiación ultravioleta hasta las infrarrojas, se comprueba que un

metal determinado el efecto fotoeléctrico se produce cuando la frecuencia de la radiación

es superior a un valor límite que se llama umbral fotoeléctrico.

Se ha podido comprobar que las partículas emitidas por los metales tienen la carga y la

masa de los electrones e- y son iguales cualquiera que sea el metal empleado en la

experiencia.

14

2.3.4 Hipótesis de Einstein. Los fotones. Cuantificación de la energía

El efecto fotoeléctrico, descubierto por Hertz en 1887, demuestra que la energía luminosa

transportada por las radiaciones que inciden en el metal se transforma en energía

mecánica. Parte de esa energía mecánica se emplea en arrancar los electrones de la

superficie del metal y parte se transforma en energía cinética de los electrones que salen

expulsados con una velocidad (v).

La teoría ondulatoria de la luz no explica suficientemente el efecto fotoeléctrico ya que

según esta teoría, la energía luminosa transportada por una radiación. Sin embargo, se ha

dicho antes, que el umbral fotoeléctrico depende de la frecuencia de la radiación

excitatriz, y la mayor o menor iluminación del metal influye en el número de electrones

impulsados, pero no en la velocidad que adquieren.

De aquí que se buscara una explicación del fenómeno fotoeléctrico partiendo de la teoría

de los quanta por el físico Alemán Marx Planck (1858 - 1947) en el año 1900. Según esta

teoría la energía transportada por una radiación de frecuencia (f) es siempre un múltiplo

entero del producto (h x f) donde (h) representa una constante universal que vale, en el

S.I., h = 6,62 x 10 -34 Joules.s.

El, producto (h x F) constituye el cuanto de energía, es decir, la menor cantidad de

energía que se puede obtener en una radiación de frecuencia (f): es como un átomo o

grado de energía. Esto llevo a Einstein a replantear nuevamente la teoría corpuscular de

la luz debido a Newton, diciendo que la luz consta de pequeños cuantos o gramos de

energía, a los que llamó fotones.

Cada fotón de una radiación (luminosa) de frecuencia (f) transporta una energía.

E = h x f

15

Siendo:

E: Energía del fotón

h: Constante universal, llamada constante de Planck; su valor es 6,63x10 -34 joules

f: Frecuencia de la radiación

Se observa que según ésta ecuación:

La energía radiante, tal como la luz, se propaga en paquetes de energía, cuyos

tamaños son proporcionales a la frecuencia de la radiación.

La energía ha de ser absorbida o emitida por cuantos completos, no siendo

admisibles fracciones del cuanto.

En definitiva la energía, igual que la materia, presenta una estructura discontinua. A partir

de la teoría de Planck, todas las energías están permitidas, sino sólo aquellas que sean

múltiples de (h).

La hipótesis de Planck ha sido confirmada y es una de las más fructíferas de toda la

Física; la cual fue presentada en un Congreso de Berlín. Esta hipótesis, se basó en las

radiaciones emitidas por cualquier fotón luminoso, indicando que no son un flujo continuo

de ondas luminosas, sino una corriente de fotones individuales.

El Fotón se puede definir así:

Un fotón es la unidad de radiación electromagnética con una longitud de onda y una

frecuencia determinada, que posee una cierta cantidad de energía llamada “cuanto de

energía”.

16

2.3.5 Ecuación de Einstein del efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico explica fácilmente a partir de la hipótesis fotónica de la luz.

Al llegar a la superficie del metal, un fotón de frecuencia (f) correspondiente a la radiación

lumínica, choca con un átomo y le arrancará un electrón si la energía del fotón (E = h x f)

es mayor que el trabajo o energía de extracción del electrón (Eo)

La deferencia E - Eo entre la energía del fotón y la energía de extracción se convierte en

energía cinética del metal expulsando con una velocidad (v). Por tanto:

E - Eo = ½ m v2, Es decir: E = Eo + ½ m v2

La energía del fotón (E) se emplea en arrancar el electrón del metal y comunicarle una

energía cinética.

La energía correspondiente al valor del umbral fotoeléctrico (fo) será:

h x fo = Eo

EL efecto fotoeléctrico se produce cuando la energía de la radiación es igual o mayor que

el umbral fotoeléctrico.

La frecuencia (f) en este caso, debe ser igual o mayor que (fo), frecuencia límite: fo =

Eo/h, por debajo de la cual no es disponible obtener el efecto fotoeléctrico en el metal

cuya energía de extracción vale Eo.

2.3.6 Aplicaciones de la célula fotoeléctrica

Las células fotoeléctricas se pueden fabricar sensibles a la luz visible y a la luz invisible

cono los rayos infrarrojos. Esto permite un uso muy variado en la industria, en los

laboratorios y en la vida cotidiana. Entre esas múltiples aplicaciones tenemos:

17

2.3.7 Ondas materiales

En 1824, el físico francés Luis de Broglie sugirió la idea que la naturaleza dual de la luz

ondacorpúsculo evidencia al mismo tiempo la naturaleza ondulatoria de todas las

partículas elementales. Al poner Einstein la equivalencia entre masa y energía (E = c x

m2) postulada que en todo sistema mecánico las onda33s están asociadas con las

partículas materiales.

En su forma actual, ésta teoría se conoce con el nombre de mecánica ondulatoria. Así

como las leyes de la mecánica clásica de Newton son indispensables para poder explicar

el comportamiento de los cuerpos macroscópicos, la mecánica ondulatoria es esencial

cuando se estudian masas de dimensiones atómicas y subatómicas.

Así, una partícula radiante m que se desplaza con la velocidad v posee una cantidad de

movimiento p. Dicha cantidad de movimiento viene dada por la ecuación:

P = m x v

En el caso del fotón, aunque se considera que no tiene masa se ha visto que posee

impulsos o cantidad de movimiento al estudiar el choque de fotones con electrones.

Llamemos p la cantidad de movimiento de un fotón de frecuencia f y de energía E = h x

f.......... (1).

Por la equivalencia de Einstein entre masa y energía, E = m x c2 escribimos E=mxcxc.

Como m x c = p puede escribirse que: E = p x c............ (2).

Al igualar las ecuaciones (1) y (2) resulta que: h x f = p x c.......... (3).

Por otra parte, se sabe que c = f que al sustituir lo de (3) queda: h x f = p, luego h = p, de

donde al despejar resulta:

& = h/p.............. (4).

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&: Longitud de onda del fotón.

h: Es un factor de personalidad llamado constante de Planck y cuyo valor es 6,63x10 -34

J.s

p: Es la cantidad de movimiento.

Esta ecuación (4), conocida por la relación de Broglie, relaciona la longitud de onda de un

fotón en función inversa de la cantidad de movimiento del mismo.

Se supone que una partícula radiante de una masa m y velocidad v; posee una energía E

y una cantidad de movimiento p = m x v. La longitud de onda asociada a la partícula se

obtiene de la relación de Broglie.

& = h/p como p = m x v; queda que: & = h/m x v............... (5)

Según (5), cuanto más de prisa se nueve la partícula, menos es la longitud de onda que

lleva asociada.

2.3.8 Relación entre la energía del fotón y la longitud de onda de la luz

La relación entre la energía del fotón y la longitud de onda de la correspondiente luz

puede deducirse del modo siguiente:

Es de conocerse que: & = c/v

Si se multiplica el numerador y el denominador por h resulta:

c h . c

& = -------- = ------------- de donde h x v = Efotón

v h . v

19

Quedando que:

h x c

& = -------------

Efotón

Se evalúa h x c, sustituyendo la constante de Planck h y la velocidad de la luz c.

h x c = (6.63 x 10 -34 joules.s) x (3 x 10 8 m/s) = 1.98 x 10 -25 joules.m

Transformando los joules-m a eV-metro

Sabiendo que 1m = 10 10 angstroms

1 joule = 6,25 x 10 18 eV; luego

h x c = (1,98 x 10 -25 J.m) x (10 10 A) x (6,25 x 10 18 eV/J)

h x c = 1,2375 x 10 4 eV-angstrom.

Esto significa que la longitud de onda en angstroms será:

1,2375 x 10 4 eV-angstrom

& = -----------------------------------------------------

E

Donde E es la energía del fotón en electrón-voltio, por lo que la energía en electrón-voltio

de un simple fotón de longitud de onda & (lambda) medida en angstroms, viene dada por:

& x E = 12375 electrón-voltio-angstroms.

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2.4 Celdas caseras; celdas solares de Cu2OEl óxido cuproso u óxido de cobre (I) [Cu2O] es un sólido marrón-rojizo insoluble en agua

y solventes orgánicos, es uno de los primeros materiales con los que se puso en

evidencia el efecto fotovoltaico.

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4. PLAN DE TRABAJO

4.1 Procedimiento para desarrollar el trabajo experimentalPara la comprobación de la hipótesis de acuerdo a lo planteado, el equipo diseñó y

desarrolló celdas fotovoltaicas, para sustentar el proyecto, a partir del diseño original y de

la creación de las mismas como se muestran a continuación.

Es fundamental identificar cuáles son los reactivos o variables independientes los cuales

van a generan productos que aplicados a nuestro tema nos brindan un aprovechamiento

de la energía eléctrica producida, que en esencia, es la idea central del proyecto.

Energía solar Energía Eléctrica

Reactivos Productos

4.1.1 Materiales

1. Placa de cobre

2. Placas de vidrio de 5x1

3. 1 kg de gel

4. Sal

5. Cautín

6. Soldadura de estaño

7. Silicón industrial

8. Motor eléctrico de 3 a 6 volts

9. Tijeras

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4.1.2 Procedimiento

Se corta la placa de cobre en trozos de 5 x 5 cm.

Se pone al fuego la mitad de trozos de lámina por 30 minutos.

Se quitan impurezas y se lija el cobre en las partes que serán expuestas a la

reacción.

Soldar con el cautín las 4 piezas que no han sido quemadas de una parte

lateral a otra (tener cuidado) con cable previamente cortado en trozos de

aprox. 5 cm; y de la misma forma con las 4 piezas quemadas restantes.

Siguiendo el presente esquema:

Sobre las placas no quemadas, se pega cada trozo de vidrio respecto a la

medida que tiene con silicón cuidando no dejar huecos, a excepción de una

para introducir las sustancias.

Se pone 45 ml de gel en las placas con vidrio y se mezcla con 5 gr. de sal

casera.

Exponer al calor el circuito de celdas.

Medir el voltaje total de las celdas.

Se adecua el objeto a andar a funcionar si el voltaje requerido es el suficiente.

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5. RECOPILACION DE DATOSEvaluación del tipo de sustancia:

Sustancia con sal mlVolts

5min

Volts

10 min

Volts

30 min

Agua destilada 15 0.23 0.23 0.14

Agua de llave 15 0.35 0.3 0.02

Cloro 15 0.30 0.9 0.00

Gel 15 0.38 0.34 0.25

Evaluación de la cantidad de reactivo y el área expuesta al sol:

Sustancia con sal ml por celdaTamaño de celda Volts

Máximos producidos

Gel 20 5*5*1 cm 0.37

Gel 40 5*10*1 cm 0.39

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Evaluación de la forma expuesta al sol:

Sustancia con sal ml por celdaTamaño de

celdaForma expuesta

Volts máximos

producidos

Gel 20 5*5*1 Horizontal 0.15

Gel 20 5*5*1Vertical

0.41

Evaluación de la parte expuesta al sol:

Sustancia con sal

ml por celda Tamaño de celda

Lado expuesto Forma expuesta

VoltsMáximos producidos

Gel 20 5*5*1 cm Expuesta al fuego

Horizontal 0.25

Gel 20 5*5*1 cm Lijada en parte interior

Vertical 0.38

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6. ANALISIS E INTERPRETACION DE LOS DATOS

De acuerdo a los análisis recabados, se observa que las celdas solares caseras

elaboradas como medio de experimentación producen un voltaje, que si bien no son del

todo viables se logra comprobar la manera en la cual se puede generar energía eléctrica a

partir del efecto fotovoltaico, donde efectivamente al ser recibidos en el material

semiconductor, logra alterar los electrones de dos distintas placas, de las cuales,

anteriormente se modificó la cantidad de electrones que cada una poseía. Esto es el

porqué del que parte de las placas de cobre se expusieron al fuego, ya que de esta

manera se logra que una placa se encuentre cargada positivamente y otra negativamente

esto para romper un enlace y lograr otro, donde las sustancias que reaccionaron como

electrolitos permitieron el flujo de electrones que la placa contraria demandaba.

Produciendo así una corriente eléctrica que fluye a través de la placa.

Con estos datos, se pensó en los factores que alteran positiva y negativamente la

producción de energía eléctrica. Al observar los datos obtenidos al manejar distintas

sustancias y las reacciones que cada una tuvo en la ya presentada tabla comparativa, se

pensaría que es conveniente usar cloro más sal como electrolito en la elaboración de

celdas solares, sin embargo, se aclara lo que sucedió, y esto se debe a las características

de los elementos empleados, siendo tanto el cloro como el sodio sustancias reactivas y en

particular el sodio un elemento que se oxida fácilmente, lo cual provoco la perforación del

material aislante usado en la elaboración de las pilas o celdas. Es por ello saber que es

importante experimentar y conocer todo tipo de riesgos para de esta forma buscar

alternativas o vías para desarrollar o resolver conflictos. O en otro caso, optar por otras

alternativas como se manejó en el presente experimento.

Se evaluó de la misma forma el tiempo de exposición, este factor es importante, ya que

permitió evaluar la eficacia de las celdas y la forma en que deben usarse, se observó que

el máximo voltaje dado se logró en el minuto 10 aproximadamente, y el mínimo cinco

minutos después, esto otorga un dato muy importante; las celdas solares son

“desechables” puesto que pasado un tiempo determinado no hay más producción de

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electricidad, esto por la reacción que producen las sustancias, ya que al término de la

experimentación las placas mostraron cierta corrosión, avisando que la reacción entre las

sustancias había terminado, y por lo tanto ya no podría haber algún tipo de enlace entre

las placas.

Se prueba posteriormente la cantidad de producto y el área de exposición, arrojando

datos interesantes. Teóricamente se podría afirmar que si una celda solar de 25 cm3

produce 0.38 v, una de 50 cm3 produce 0.76. De acuerdo a la experimentación, no se

duplico la cantidad de volts, por el contrario hay un 5.12% adicional e n una celda de 50

cm3 en comparación de la celda doblemente menor. Por lo que es recomendable elaborar

celdas de 25 cm3, beneficiando el material existente y la economía.

Nuevamente se manejó otro factor, la forma expuesta a la luz solar, la primera de forma

horizontal, es decir, “acostada” y la segunda en de forma vertical, o “parada”; donde de

forma lógica se debe entender que para que haya corriente, debe existir un enlace entre

las placas, y si las placas no tienen un contacto perfecto con la sustancia, no habrá un

enlace entre electrones, por lo tanto es importante colocar las placas de forma vertical o

“parada” para que exista contacto entre ambas placas.

El último factor evaluado en la parte que se debe exponer al sol; la parte quemada y la

parte natural-lijada, al realizar la experimentación, se concluye que las placas deben estar

expuestas por la parte quemada, siendo la forma ideal esta.

Con el resto de los datos obtenidos y recabados, se logra no tan solo producción de

electricidad mediante luz solar, sino una mayor producción, tal vez no elevada, pero si un

extra para poder unir más producto e implementarlo.

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CONCLUSIONES

Como conclusión se puede mencionar que una investigación científica es

constante y está expuesta a prueba y error y justo eso fue lo que sucedió con la

parte experimental del proyecto, la sustancia electrolítica pudo transportar

electrones capaces de producir energía eléctrica, la conexión en serie de las

celdas lamentablemente no fue suficiente para encender un led, pero si la

satisfacción de que se cumplió con el objetivo del proyecto de producir corriente

eléctrica.

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FUENTES DE INFORMACIÓNStarMedia. (2010). Efecto fotoeléctrico. Extraído el 29/05/11 en

http://html.rincondelvago.com/efecto-fotoelectrico_2.html

Taringa. (2009). CELDA SOLAR DE LAMINA DE COBRE. Extraído el 21/05/11 en

http://www.taringa.net/posts/info/2180514/Crea-una-celda-solar-con-una-lamina-de-

cobre.html

Miliarium.com. (2004). Energía solar fotovoltaica. Extraído el 20/03/11 en

http://www.miliarium.com/monografias/energia/E_Renovables/Fotovoltaica.htm

Wikipedia. (2011). Panel fotovoltaico. Extraído el 18/03/11 en

http://es.wikipedia.org/wiki/Panel_fotovoltaico

Wikipedia. (2011). Célula fotovoltaica. Extraído el 12/03/11 en

http://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A9lula_fotovoltaica

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APÉNDICE Y/ANEXOS