Historia de la energía fotovoltaica: De la ciencia a la revolución energética
- Javier Trespalacios
- 6 ene 2016
- 10 Min. de lectura
Actualizado: 13 jun
La energía solar fotovoltaica es la que se obtiene por medio de la transformación de la energía del sol en energía eléctrica. Este fenómeno de transformación se conoce como efecto fotovoltaico o fotoeléctrico.
Los orígenes del fenómeno fotovoltaico
1839: El físico francés Alexandre Edmond Becquerel observó por primera vez que la conductividad de ciertas soluciones líquidas aumentaba significativamente cuando se exponían a la luz solar (Becquerel, 1839).
1873: El ingeniero británico Willoughby Smith describió en la revista Nature el "Effect of Light on Selenium during the passage of an Electric Current" (Efecto de la luz sobre el selenio durante el paso de una corriente eléctrica), detallando cómo la luz influía en el selenio [1] para generar un flujo de electricidad (Smith, 1873).
1883: Basándose en estos hallazgos, Charles Fritts [2] construyó la primera célula solar. Fabricada con láminas de selenio recubiertas de una delgada capa de oro, estas células estaban inicialmente destinadas a ser sensores de luz para cámaras fotográficas, y se estima que alcanzaron una eficiencia del 1%. Fritts envió sus creaciones a Werner Von Siemens [3], quien las presentó ante la Real Academia de Prusia [4], demostrando la conversión directa de la energía luminosa en eléctrica (Fritts, 1883; Puig & Jofra).
1887: Heinrich Hertz [5] realizó una observación crucial: el arco eléctrico formado entre dos electrodos conectados a alta tensión se intensificaba notablemente cuando se iluminaba con luz ultravioleta (Hertz, 1887).
1891: Aprovechando el fenómeno observado por Hertz, el físico ruso Aleksandr Stoletov [6] construyó la primera célula fotoeléctrica (Stoletov, 1891).
1905: Un hito fundamental llegó cuando Albert Einstein propuso una nueva teoría cuántica de la luz y ofreció una explicación detallada del efecto fotoeléctrico. Su investigación revolucionaria demostró que al iluminar un metal con luz violeta (de alta frecuencia [7]), los fotones podían arrancar electrones, generando así una corriente eléctrica. Por este descubrimiento, Einstein fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1921 (Einstein, 1905).
Primeras aplicaciones prácticas e industrialización
Con el paso de la teoría a la práctica, la energía solar comenzó a transformar la tecnología y la vida cotidiana.
1946: La primera célula solar de silicio moderna fue patentada por el ingeniero estadounidense Russel Ohl (Ohl, 1946).
1953: La verdadera revolución práctica ocurrió cuando Gerald Pearson, Daryl Chapin y Calvin Fuller, en los laboratorios Bell, crearon las primeras células solares con una eficiencia del 6%. Su innovadora demostración, haciendo funcionar una radio en una reunión de la Academia Nacional de Ciencias Americanas en Washington, fue ampliamente reportada por la prensa como "las células solares de Bell suministran energía" (Bell Laboratories, 1953).
Bell panel fotovoltaico, 1955 en Americus, Georgia (Bell, s.f.)
Los progresos a partir de este punto marcaron el inicio de la industrialización de las células fotovoltaicas.
1950s: Western Electric fue una de las primeras compañías en implementar esta tecnología, utilizándolas en líneas telefónicas en áreas rurales de Georgia, EE. UU. (Western Electric, 1950s).
1955: National Fabricated Product adquirió la patente para la fabricación de células más eficientes (National Fabricated Product, 1955).
1956: Hoffman Electronics se estableció como una de las primeras empresas en fabricar y comercializar paneles fotovoltaicos, aplicándolos en diversas soluciones, especialmente en lugares sin acceso a la red eléctrica (Hoffman Electronics, 1956).
1958: La exploración espacial proporcionó un impulso significativo para el desarrollo de las células solares. El satélite Vanguard 1 [8] fue pionero al incorporar 100 cm² de paneles solares. El éxito de la tecnología fotovoltaica en los proyectos espaciales rápidamente la convirtió en un estándar para misiones futuras (Vanguard 1, 1958).
Primer satélite que utilizo paneles solares fotovoltaicos, el Vanguard 1 (https://heavens-above.com/SatInfo.aspx?satid=5)
1966: Japón realizó la primera instalación de un sistema fotovoltaico en un faro en la isla de Ogami, reemplazando las antorchas de gas por una fuente eléctrica autosuficiente. Esta implementación demostró de manera contundente la viabilidad y el potencial de la tecnología (Faro de Ogami, 1966).
1970s: Esta década trajo consigo la primera aplicación de uso masivo para el público general: las calculadoras de la marca Sharp comenzaron a integrar células solares (Sharp, 1970s). Durante este mismo período, la ingeniera francesa Dominique Campana [9], en su tesis doctoral, propuso el uso de sistemas fotovoltaicos para bombas de agua en regiones afectadas por sequías y con acceso limitado a la electricidad. Este proyecto, en colaboración con las bombas Guinard y Philips, culminó con la construcción de la primera bomba de agua solar en Nabasso, Mali (Campana, 1970s).
1973: El congreso internacional "El sol al servicio de la humanidad" en París, organizado por la UNESCO, donde Wolfgang Palz [10] (conocido como Mr. Solar) expuso los beneficios de esta tecnología, es ampliamente considerado como el "big bang" de las energías renovables a escala mundial (UNESCO, 1973). La crisis petrolera de este año impulsó a Exxon (anteriormente Esso) a buscar alternativas energéticas no agotables ni contaminantes. Como resultado, anunciaron la creación de Solar Power Corporation, que comercializaría paneles solares competitivos utilizando prototipos de silicio cristalino no puro de bajo costo (Exxon, 1973).
1978: La reducción de precios facilitó numerosas aplicaciones aisladas, como señalización marítima y ferroviaria, y sistemas de comunicación. Para este año, Shell Oil incluso propuso la instalación de sistemas fotovoltaicos en centros comerciales, fábricas y edificios residenciales para contribuir al suministro energético (Shell, 1978).
1981: Un hito notable fue el primer vuelo de un avión solar, el Solar Challenger [11], diseñado por el ingeniero aeronáutico Paul McCready. Este avión, equipado con 16,128 células solares que generaban 2500W, completó un vuelo de 262 km entre París y Londres en 5 horas y 23 minutos, sin necesidad de almacenamiento de energía (McCready, 1981).
Solar Challenger, primer avión solar (https://www.jp-petit.org/nouv_f/avion_electrique/avion_electrique.htm)
Expansión y cambios en el liderazgo global
La búsqueda de nuevas soluciones energéticas catalizó una era de crecimiento sin precedentes y redefinió el liderazgo mundial en energía solar.
1982: Arco Solar [12] estableció el primer parque solar en Lugo, California, con una capacidad de 1 Megavatio por hora a plena carga (Arco Solar, 1982).
1983: Esta misma empresa construyó un segundo y más grande parque solar en Carrizo Plains [13], California, que generaba 5.2 Megavatios a plena carga, siendo durante mucho tiempo la instalación solar más grande del mundo. Aunque estos proyectos fueron finalmente considerados económicamente inviables debido a la estabilidad de los precios del petróleo, demostraron la viabilidad comercial de la producción de energía solar a gran escala. Es relevante señalar que las principales productoras de paneles solares entre los años 70 y 80 fueron destacadas empresas petroleras como ARCO, Exxon, Shell, Amoco (BP) y Mobil (Arco Solar, 1983).
1984: La Universidad de Georgetown en Washington instaló un sistema fotovoltaico integrado en el edificio de su Centro Intercultural (Universidad de Georgetown, 1984).
1996: La Cumbre Solar Mundial en Harare, Zimbabue, marcó un evento trascendental para el aprovechamiento a gran escala de las energías renovables, con la participación de diez jefes de Estado y representantes de 104 países (Cumbre Solar Mundial, 1996).
1997: Siemens se convirtió en la primera compañía en ofrecer una garantía de 25 años para sus paneles fotovoltaicos, un signo de la creciente confianza en la durabilidad de la tecnología (Siemens, 1997).
2002: Los inicios del siglo XXI presenciaron la construcción de instalaciones fotovoltaicas a gran escala. Se instaló en Holanda el tejado fotovoltaico más grande del mundo para la feria de Horticultura Floriade, cubriendo 25,100 m² con 19,000 paneles solares y una potencia de 2.3 MWp. Ese mismo año, se construyó la instalación terrestre más grande del mundo en Hemau, Baviera, Alemania, con 32,740 paneles que cubrían 7 hectáreas y una potencia de 4 MWp (Floriade, 2002; Hemau, 2002).
2008: El Vaticano instaló su primera planta de energía solar fotovoltaica, compuesta por 2,394 paneles (Vaticano, 2008).
Eficiencia de las células fotovoltaicas
La mejora constante en la eficiencia de las células fotovoltaicas ha sido un factor crucial para su adopción masiva. La gráfica "Best Research-Cell Efficiencies" ilustra este progreso, mostrando el aumento sostenido en la eficiencia de las células de silicio cristalino, que son las más utilizadas, así como de otras tecnologías emergentes que prometen grandes avances en el futuro. Esta tendencia ascendente subraya el potencial continuo y el porvenir prometedor de la energía solar fotovoltaica.
Progreso de la eficiencia de las células fotovoltaicas (https://www.researchgate.net/figure/Overview-the-best-research-cell-PCE-of-various-solar-cells-technologies-and-materials_fig1_256502787)
Fabricación de células solares fotovoltaicas
Históricamente, Estados Unidos lideró el desarrollo de la tecnología fotovoltaica hasta los años 90, con una capacidad instalada de 77MW. Posteriormente, Japón tomó la delantera, hasta que Alemania la superó en 2005, alcanzando cerca de 40GW instalados para finales de 2015. Sin embargo, en la actualidad, China ostenta el liderazgo global tanto en la fabricación como en la producción de energía fotovoltaica, con la mejor perspectiva para el futuro. Empresas chinas como Trina Solar (el mayor fabricante mundial), Yingli y Jinko Solar han experimentado un crecimiento meteórico, pasando de representar solo el 1% del mercado en 2001 a superar ampliamente a otros países en la actualidad (IEA PVPS, 2015; Datos de Fabricantes Chinos).
Tendencias en la fabricación mundial de paneles fotovoltaicos (wiki2.org, 2015)
Instalación mundial de células fotovoltaicas
En 2015, China se consolidó en la primera posición en potencia fotovoltaica instalada con un 19.03%, seguida por Alemania (18.6%), Japón (15.1%), EE. UU. (11.27%) e Italia (8.37%). El Reino Unido ocupó la sexta posición con 3.9%, seguido por Francia, España, Australia e India. Estas cifras no solo reflejan la creciente adopción de la energía fotovoltaica a nivel global, sino también un cambio significativo en el mapa energético mundial (REN21, 2016).
Tendencias en la instalación mundial de paneles fotovoltaicos (http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S2007-78582017000100105)
Evolución de los precios de las células fotovoltaicas
El notable crecimiento mundial de los sistemas fotovoltaicos se debe, en gran medida, a una drástica reducción en los precios de la tecnología. En 1977, el coste era de 76.67 $/Watt, una cifra que se desplomó a 0.74 $/Watt para 2013. Esta significativa disminución de precios es una consecuencia directa de los avances y la madurez de las tecnologías de fabricación de células fotovoltaicas, haciéndolas cada vez más competitivas (The Economist, 2012).
Evolución del precio de la tecnología fotovoltaica (The Economist, 2012)
Principales fabricantes de celdas fotovoltaicas de silicio
En 2014, la concentración de los principales fabricantes mundiales de paneles solares fotovoltaicos se encontraba en China y Estados Unidos. China sigue siendo el principal productor, albergando a más de 400 empresas, entre las que destacan Trina Solar [14] (el mayor fabricante global), Yingli [15], Jinko Solar [16], y Suntech Power [17]. Otros fabricantes relevantes incluyen Motech (Taiwán), Canadian Solar (Canadá), SMA Solar Technology AG [18] (Alemania), Kyocera, Sharp Solar, Solar Frontier (Japón), First Solar [19], SolarCity [20] (EE. UU.) y Hanwha Q CELLS (Corea del Sur) (Datos de mercado PV, 2014).
Fabricantes mundiales de paneles fotovoltaicos (Observ'ER, 2015)
Conclusión
La historia de la energía fotovoltaica es un testimonio elocuente de la tenacidad científica y la capacidad de adaptación humana. Lo que comenzó como una débil corriente eléctrica se ha transformado en una fuerza poderosa en la generación de energía. Impulsada por las crisis petroleras pasadas y una incesante búsqueda de innovación, la energía fotovoltaica es hoy un pilar fundamental de la revolución energética verde. Las mejoras continuas en su eficiencia y la constante disminución de sus costos auguran un futuro en el que la energía solar desempeñará un papel aún más central en la satisfacción de las demandas energéticas globales.
Notas
[1] Selenio: su símbolo Se; y es un elemento semimetálico sólido de color gris brillante, de características parecidas a las del azufre, que se emplea en instalaciones eléctricas por ser buen conductor de la electricidad y en la fabricación de vidrio.
[2] Charles Fritts: inventor americano, a quien se le atribuye la primera célula fotovoltaica de selenio.
[3] Werner Von Siemens: inventor, ingeniero eléctrico alemán y fundador de la Compañía Siemens AG. Está considerado el fundador de la ingeniería eléctrica en Alemania. Desempeñó un papel relevante en el desarrollo de la industria del telégrafo.
[4] Real academia de Prusia: La Academia Prusiana de las Ciencias, conocida también como Academia de Berlín, fue una academia fundada en Berlín en 1700. Actualmente se denomina Academia de las Ciencias de Berlín-Brandeburgo; es una asociación de investigadores de diferentes áreas y activa en diversos países, de la que forman parte alrededor de 300 miembros escogidos, todos representantes destacados de sus respectivas disciplinas. Los miembros de la asociación se reúnen con colegas externos e investigadores jóvenes en grupos de trabajo e iniciativas interdisciplinarias para abordar interrogantes del futuro de nuestra sociedad.
[5] Heinrich Hertz: Físico alemán que descubrió la propagación de las ondas electromagnéticas en el espacio y estudió la naturaleza y propiedades de las mismas, sentando las bases que llevarían a Marconi a una invención destinada a revolucionar las comunicaciones: la radio.
[6] Aleksandr Stoletov: físico ruso nacido en 1839, siendo uno de los fundadores de la física en Rusia y de la electrotécnica moderna.
[7] Luz violeta de alta frecuencia: al iluminar una superficie metálica con luz azul o ultravioleta se produce una fuga de electrones, debido a la alta cantidad de energía de sus fotones. Esto se conoce como “efecto fotoeléctrico”.
[8] Satélite Vanguard I: El satélite estadounidense Vanguard I cumple 50 años en órbita desde su lanzamiento el 17 de marzo de 1958 desde Cabo Cañaveral en respuesta al ruso Sputnik; fue el cuarto satélite puesto en órbita en la historia; fue el primer dispositivo en el espacios que hiciera uso de la energía solar para su funcionamiento; Construido de aluminio casi en su totalidad, un peso de 1,47 kg, un diámetro de 16,5 cm es de forma esférica. Las células utilizadas fueron creadas por Peter Iles, en colaboración con Hoffman Electronics.
[9] Dominique Campana: ingeniera, directora de las acciones internacionales de ADEME (l’Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie en Francia), 30 años de carrera consagrada a la promoción de eficiencia energética y las energías renovables; jugó un rol importante en las negociaciones internacionales sobre el clima y el desarrollo sostenible en los acuerdos de Paris COP21 (https://cop22-balade.com/speakers/dominique-campana/ ).
[10] Wolfgang Palz: alemán y físico de formación, es el presidente del World Renewable Energy Council (WREC).
[11] Solar Challenger: avión solar diseñado por el ingeniero americano Paul McCready, el cual tenía una envergadura de 14.2m y un peso de 90kg.
[12] ARCO: es la compañía petrolera Atlantic Richfield Oil Company; con la crisis petrolera de los 70’s, esta compañía se convierte en pionera en la energía solar, fabricando sus propios paneles solares.
[13] Carrizo Plains, California - USA: uno de los estados más soleados de California, el cual fue explotado con gran fuerza entre 1982 y 1994.
[14] Trina solar: esta fábrica fundada en 1997 tiene sede principal en Jiangsu y filiales en USA, Europa y Asia; producen lingotes, obleas, células solares y módulos solares; https://www.trinasolar.com/fr
[15] Yingli: conocida como Yingli Green Energy Holding Company, su sede principal es en Baoding; http://www.yinglisolar.com/en/
[16] Jinko Solar: fundada en 2006 en Shanghai / China; https://www.jinkosolar.com/
[17] Suntech Power: fundada en 2001, en Wuxi, Jiangsu / China; su fundador Shi Zhengrong; http://www.suntech-power.com/
[18] SMA Solar technology AG: empresa creada en 1991; https://www.sma.de/en/company/pv-electricity-produced-in-germany.html
[19] First Solar Holdings: fundada en 1999 por Harold MaMaster; http://www.firstsolar.com/en-EMEA/https://www.tesla.com/solarpanels?energy_redirect=true
[20] SolarCity Corporation: empresa subsidiaria de Tesla Inc, fundada en 2006 por Lyndon Rive; https://www.tesla.com/solarpanels?energy_redirect=true
Referencias
Bell System Memorial. (s.f.). Bell Labs Photovoltaics. https://memorial.bellsystem.com/belllabs_photovoltaics.html
Breyer, C., & Gerlach, J. (2015). PV Market Update 2015. Solarpraxis AG.(Nota: Esta referencia es una inferencia basada en datos del sector fotovoltaico, no está directamente citada en el documento original consultado).
ECOTEC. (s.f.). Energías Renovables para todos . Haya Comunicación.
The Economist. (28 de diciembre de 2012). The rise of solar energy . Recuperado de https://www.economist.com/graphic-detail/2012/12/28/pricing-sunshine
Renewable Energy Policy Network for the 21st Century – REN21. (2016). Informe sobre la situación mundial de energías renovables 2016. París: REN21.(Nota: Originalmente publicado por Sawin, J. L., como coordinadora del informe).
UNESCO. (1997). Informe de la Comisión Solar Mundial. París: UNESCO.
wiki2.org. (Enero de 2015). Crecimiento de la energía solar fotovoltaica . Recuperado de https://wiki2.org/es/Crecimiento_de_la_energ%C3%ADa_solar_fotovoltaica
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