Una pila solar es un dispositivo que convierte energía proveniente del sol en energía eléctrica. Para que esta conversión sea eficiente, se utiliza silicio altamente procesado, para cuya obtención hacen falta laboratorios y procedimientos muy sofisticados.
     Sacrificando eficiencia, aquí le mostraremos la forma de fabricar una pila solar a través de un proceso simple, utilizando materiales fáciles de conseguir.
     Esta pila está construida con óxido cuproso (óxido de Cu(I), en lugar de silicio. Este óxido es uno de los primeros materiales en los que se descubrió que presenta el efecto fotoeléctrico, efecto que hace que fluya electricidad por incidencia de luz.
     En 1905 Albert Einstein publicó un trabajo en el que da la explicación de este efecto, trabajo por el que recibió en 1921 el premio Nobel de Física.

Materiales necesarios

- Una lámina de cobre de dimensiones aproximadas 25 cm x 25 cm.

- Un microamperímetro que pueda detectar corrientes de intensidades entre 10 y 50 microamperios.

- Una hornalla de una cocina eléctrica de una potencia de aproximadamente 1000 - 1200 Watts.

- Dos conectores eléctricos tipo cocodrilo.

- Una botella de plástico de 2 litros, a la que se le corta la parte superior para tener un recipiente de boca ancha.

- Sal común de mesa.

- Agua de canilla.

- Papel de lija.

    Corte una pieza de cobre de tamaño aproximadamente igual a la placa calefactora de la cocina eléctrica. Lave sus manos para eliminar restos de grasa o aceite. Por la misma razón, lave la lámina con jabón. Finalmente limpie a fondo la lámina de cobre con papel de lija.
     Coloque la lámina limpia y seca sobre el quemador y ponga el poder calefactor al máximo.
     Cuando la lámina empieza a calentarse, se cubrirá con hermosos colores anaranjados, púrpuras y rojos. Al aumentar más la temperatura, estos colores desaparecerán porque se forma una capa negra de óxido cúprico (óxido de Cu(II)). Los últimos vestigios de colores sobre la lámina de cobre desaparecerán cuando el calefactor llega al rojo. Deje en estas condiciones durante media hora, para lograr una capa bastante gruesa del óxido negro. Esto es importante, porque si la capa es delgada, se quedará pegada a la lámina, mientras que si es gruesa, se desprenderá fácilmente y dejará al descubierto los colores del óxido cuproso.
     Después de esta media hora de calentamiento, apague el calefactor y deje que la lámina de cobre se enfríe lentamente.
     Durante el enfriamiento, tanto el cobre como el óxido cúprico se contraen, pero lo hacen a velocidades diferentes, por lo cual el óxido se desprende en forma de escamas. Cuidado, las pequeñas escamas se desprenden con tanta fuerza que vuelan algunos centímetros en el aire.
     Luego de aproximadamente 20 minutos, la lámina se enfrió hasta temperatura ambiente y casi todo el óxido negro se desprendió. Los pocos pedazos que aún quedan se remueven suavemente con las manos bajo agua corriente. Es importante que esto lo haga con suavidad y sin doblar la lámina de cobre, porque sino se dañaría la delgada capa roja de óxido cuproso, necesaria para que funcione la celda solar.
     Corte otro pedazo de cobre de tamaño similar al primero. Doble ambas láminas con suavidad, de modo que las dos puedan ser introducidas a la botella de plástico, sin que se toquen. Es aconsejable que la cara de la lámina cubierta con óxido cuproso que miraba hacia arriba durante el calentamiento apunte hacia afuera de la botella de plástico.
     Conecte los cocodrilos a cada una de las láminas de cobre, el de la lámina limpia al terminal positivo del amperímetro y el que viene de la lámina cubierta con óxido cuproso al terminal negativo.

     Agregue dos cucharadas de sal común a agua caliente y revuelva hasta que toda la sal esté disuelta. Luego vierta con cuidado la solución a la botella de plástico, cuidando que no se mojen los conectores. El agua salada NO debe cubrir completamente las láminas. Es conveniente que queden aproximadamente 2 cm de lámina fuera del agua, de manera que se pueda mover la celda solar sin que se mojen los conectores.
     Observe la diferencia de la intensidad de la corriente eléctrica colocando la pila a la sombra y a la luz del sol.

Respuestas:
¿Cómo funciona la pila solar?

     El óxido cuproso es un tipo de material llamado semiconductor. Veamos una explicación somera sobre estos materiales, porque el análisis más profundo es demasiado complejo.
     Un semiconductor tiene una conductividad eléctrica intermedia entre un metal y un material aislador. La propiedad que distingue a los semiconductores con respecto a los metales es que en aquellos, la conductividad eléctrica aumenta con la temperatura. Las propiedades eléctricas de los semiconductores son intermedias entre las de los sólidos atómicos o moleculares no conductores y las de los metales de alta conductividad, de ahí su nombre.
     En los metales cada átomo libera uno o más de sus electrones de valencia (aquellos más débilmente unidos), los que pueden moverse libremente entre los iones positivos del metal. Estos electrones móviles son los que mantienen unidos a los cationes metálicos, formando la estructura ordenada típica de los metales, y los que le dan el carácter de buen conductor de la electricidad. Al contrario, en los sólidos covalentes, con excepción del grafito, todos los electrones de valencia están firmemente unidos a los átomos, y por lo tanto no pueden moverse libremente a través del cristal, por lo que un cristal covalente es un no-conductor. Podemos pensar que un semiconductor es una sustancia covalente en la que los electrones de valencia no están unidos con tanta firmeza, de modo que algunos con suficiente energía pueden separarse del átomo y moverse dentro del cristal. Al aumentar la temperatura, más electrones adquieren energía suficiente para separarse de sus átomos. Esto explica el comportamiento peculiar de la conductividad de los semiconductores, en comparación con la de los metales.
     En realidad, esta explicación parte de un modelo demasiado simple. La descripción del modelo más correcto es compleja, de modo que esbozaremos solamente las ideas fundamentales.
     En un átomo de un metal, el electrón de valencia se ubica en un determinado nivel de energía.      Cuando se unen N átomos de metal para formar el cristal, el nivel de energía del electrón en el átomo es reemplazado por numerosos niveles de energía, formando prácticamente un continuo. Decimos que se formó una banda de niveles de energía, la llamada banda de valencia, donde se ubican los electrones de valencia. Esta teoría predice que existe también una banda sin electrones, llamada banda de conducción, la que, en el caso de los metales, se superpone parcialmente o está muy cerca de la banda de valencia. Gráficamente lo podemos representar así:

     Los electrones que se encuentran en los niveles de energía de la banda de valencia pueden ser excitados a los niveles vacíos de la banda de conducción. Este movimiento de electrones de un nivel a otro constituye una corriente eléctrica. Por esto, los metales son buenos conductores.
     En un no-conductor o aislante, como por ejemplo el diamante, la banda de conducción está ubicada a una energía mucho mayor, de modo que los electrones no pueden moverse desde la banda de valencia a la de conducción. Es por eso que el diamante es un no-conductor. En un semiconductor como el silicio o el óxido cuproso, la situación es intermedia. La banda de conducción no se superpone con la de valencia, como en un metal, pero está suficientemente cerca como para que algunos electrones con suficiente energía térmica puedan saltar de una banda a otra. Debido a este fenómeno, los semiconductores son conductores, pero dado que solo pocos electrones se mueven a la banda de conducción, son conductores mucho más pobres que los metales.
     Al aumentar la temperatura, un número mayor de electrones tiene suficiente energía térmica como para pasar a la banda de conducción. Esto explica, en el contexto de la teoría de bandas, el aumento de la conductividad de un semiconductor con la temperatura. En resumen, la diferencia entre un metal, un semiconductor y un no-conductor depende de la brecha de energía entre la banda de valencia y la de conducción. En la figura se muestran las diferencias de energía entre las dos bandas para el carbono, que es un aislante, el silicio y el germanio, que son semiconductores, y el estaño, que es un metal.

     Los semiconductores tienen aplicaciones importantísimas, las que están basadas en el descubrimiento que su conductividad puede ser cambiada drásticamente por la adición de cantidades muy pequeñas de impurezas. Si se incorpora una pequeña cantidad de fósforo o arsénico a silicio cristalino, los átomos de estas impurezas ocupan algunos sitios de la estructura del silicio. Sin embargo, dado que se necesitan solamente cuatro electrones para unirse a los cuatro átomos de silicio que rodean al átomo de fósforo o arsénico (elementos del grupo VA o 15), queda un electrón en exceso. Este electrón ocupa un nivel de energía en la banda de conducción, y bajo la influencia de un campo eléctrico aplicado puede moverse a través del cristal. El número de electrones que se incorpora a la banda de conducción, y en consecuencia, la conductividad del silicio, es proporcional al número de átomos de fósforo o arsénico agregados. Si se incorpora un átomo de boro (elemento del grupo IIIA o 13), contribuye con sólo tres electrones. Dado que necesita cuatro electrones para unirse con el silicio, sustrae un electrón de un átomo de silicio adyacente, dejándolo así cargado positivamente. Este hueco en la capa de valencia del silicio es llamado vacancia o agujero positivo. El hueco generado en el átomo de silicio puede ser cubierto por otro electrón de otro átomo de silicio vecino a aquél, y así sucesivamente. Si se aplica un potencial eléctrico, el hueco o agujero se mueve a través del cristal. En realidad, se mueve un electrón en la dirección opuesta. Dado que la carga que se mueve es positiva, se dice que estos conductores son del tipo p. En el caso anterior, dado que se mueve una carga negativa, el conductor es del tipo n. Al proceso de incorporar impurezas del tipo n o del tipo p se lo denomina dopado. En este proceso se añade del orden de cinco átomos de impureza por cada millón de átomos de silicio. Normalmente, la conductividad de un semiconductor se incrementa en un factor 100000 por la presencia de los átomos de impurezas.
     Una de las aplicaciones más importantes de los semiconductores se logra poniendo en contacto un conductor de tipo p con uno de tipo n. Si se aplica un potencial eléctrico a esta combinación de semiconductores, conectando el polo negativo al conductor tipo n y el polo positivo al conductor tipo p, la corriente puede fluir sin problemas, pero si se hacen las conexiones al revés, la corriente no puede fluir más. De manera que esa combinación de un conductor tipo n con otro de tipo p, llamado diodo, deja pasar la corriente en una sola dirección. En consecuencia, este tipo de dispositivo puede convertir corriente alterna en corriente continua. Por eso se lo llama rectificador.
     Si se combinan de diversas formas los conductores de tipo n y p, se obtienen dispositivos llamados transistores, que pueden amplificar corrientes y voltajes. Los transistores y otros dispositivos basados en semiconductores revolucionaron totalmente la industria electrónica. Gracias a los semiconductores fue posible reducir enormemente el tamaño de los dispositivos electrónicos.
     El desarrollo más importante de los últimos años fue la producción de circuitos integrados, consistente de miles de resistencias, transistores, rectificadores y capacitores, construidos con conductores de tipo n y p sobre una pieza única de silicio de dimensiones no mayores que algunos milímetros. Estos circuitos integrados ("chips") constituyen el corazón de los relojes digitales, de las calculadoras y de las computadoras personales.

Bibliografía:

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Chang, R. Química. 4ª. Edición. McGraw-Hill. México. 1992.

Whitten, K.W., Davis, R.E. y Peck, M.L. Química General. 5ª. Edición. McGraw-Hill. España. 1998.

Agradecemos la colaboración de los profesores Rubén Siri y Héctor González, que probaron el dispositivo en los laboratorios del Colegio Nacional de Buenos Aires. Utilizando una chapa de dimensiones aproximadas 5 cm x 10 cm se detectó una corriente de 2 microamperios con las chapas a la sombra y entre 5 y 6 microamperios exponiéndolas a la luz.