Fig. 1. Un panel solar, formado por muchas células fotovoltaicas.[1]

Una célula fotovoltaica es una tecnología de captación de energía que convierte la energía solar en electricidad útil mediante un proceso denominado efecto fotovoltaico. Existen varios tipos de células fotovoltaicas que utilizan semiconductores para interactuar con los fotones del Sol y generar una corriente eléctrica.

Capas de una célula fotovoltaica

Una célula fotovoltaica se compone de muchas capas de materiales, cada una de ellas con una finalidad específica. La capa más importante de una célula fotovoltaica es la capa semiconductora especialmente tratada. Se compone de dos capas distintas (tipo-p y tipo-n - véase la fig. 3), y es la que realmente convierte la energía del Sol en electricidad útil a través de un proceso llamado efecto fotovoltaico (véase más adelante). A ambos lados del semiconductor hay una capa de material conductor que "recoge" la electricidad producida. Hay que tener en cuenta que la cara posterior o sombreada de la célula puede permitirse el lujo de estar completamente cubierta por el conductor, mientras que la cara frontal o iluminada debe utilizar los conductores con moderación para no bloquear demasiado la radiación solar que llega al semiconductor. La última capa, que se aplica sólo al lado iluminado de la célula, es el revestimiento antirreflectante. Dado que todos los semiconductores son naturalmente reflectantes, las pérdidas por reflexión pueden ser importantes. La solución es utilizar una o varias capas de un revestimiento antirreflectante (similar a los que se utilizan para las gafas y las cámaras) para reducir la cantidad de radiación solar que se refleja en la superficie de la célula.[2]

Fig. 2. El funcionamiento básico de una célula fotovoltaica.[3]

Efecto fotovoltaico

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Fig. 3. Un diagrama que muestra el efecto fotovoltaico.[4]

El efecto fotovoltaico es un proceso que genera voltaje o corriente eléctrica en una célula fotovoltaica cuando se expone a la luz solar. Estas células solares están compuestas por dos tipos diferentes de semiconductores -de tipo p y de tipo n- que se unen para crear una unión p-n. Al unir estos dos tipos de semiconductores, se forma un campo eléctrico en la región de la unión, ya que los electrones se mueven hacia el lado positivo p y los huecos se mueven hacia el lado negativo n. Este campo hace que las partículas cargadas negativamente se muevan en una dirección y las cargadas positivamente en la otra.[5] La luz está compuesta por fotones, que no son más que pequeños paquetes de radiación electromagnética o energía. Cuando la luz de una longitud de onda adecuada incide sobre estas células, la energía del fotón se transfiere a un electrón del material semiconductor, haciéndolo saltar a un estado de mayor energía conocido como banda de conducción. En su estado de excitación en la banda de conducción, estos electrones son libres de moverse por el material, y es este movimiento del electrón el que crea una corriente eléctrica en la célula.

Eficiencia de las células solares

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La eficiencia es una preocupación de diseño para las células fotovoltaicas, ya que hay muchos factores que limitan su eficiencia. El principal factor es que 1/4 de la energía solar que llega a la Tierra no puede ser convertida en electricidad por un semiconductor de silicio. La física de los semiconductores exige una energía mínima de los fotones para sacar un electrón de una estructura cristalina, lo que se conoce como energía de la brecha de banda. Si un fotón tiene menos energía que la banda prohibida, el fotón es absorbido como energía térmica. En el caso del silicio, la energía de la banda prohibida es de 1,12 electronvoltios.[6] Como la energía de los fotones procedentes del Sol cubre una amplia gama de energías, parte de la energía entrante del sol no tiene suficiente energía para eliminar un electrón en una célula fotovoltaica de silicio. Incluso de la luz que puede ser absorbida, sigue habiendo un problema. Toda la energía que supere la energía de la banda prohibida se transformará en calor. Esto también reduce la eficiencia porque esa energía térmica no se utiliza para ninguna tarea útil.[6] De los electrones disponibles, no todos llegarán al contacto metálico y generarán electricidad. Algunos de ellos no serán suficientemente acelerados por el voltaje dentro del semiconductor. Estos efectos se combinan para crear una eficiencia teórica de las células fotovoltaicas de silicio es de aproximadamente el 33%.[6]

Hay formas de mejorar la eficiencia de las células fotovoltaicas, todas ellas con un mayor coste. Algunos de estos métodos son el aumento de la pureza del semiconductor, el uso de un material semiconductor más eficiente, como el arseniuro de galio, la adición de capas adicionales o uniones p-n a la célula, o la concentración de la energía solar mediante la fotovoltaica concentrada. Por otro lado, las células fotovoltaicas también se degradan, produciendo menos energía con el tiempo, debido a una serie de factores como la exposición a los rayos UV y los ciclos climáticos. Un informe exhaustivo del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) afirma que la tasa media de degradación es del 0,5% anual.[7]

Tipos de células fotovoltaicas

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Fig. 4. Una imagen que compara una célula de silicio policristalino (izquierda) y una célula de silicio monocristalino (derecha).[8]

Las células fotovoltaicas pueden fabricarse de diversas maneras y con muchos materiales diferentes. El material más común para la construcción de células solares comerciales es el silicio (Si), pero otros son el arseniuro de galio (GaAs), el teluro de cadmio (CdTe) y el seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS). Las células solares pueden construirse a partir de estructuras cristalinas frágiles (Si, GaAs) o como células flexibles de película fina (Si, CdTe, CIGS). Las células solares cristalinas pueden clasificarse en dos categorías: monocristalinas y policristalinas, como se muestra en la fig. 4. Como su nombre indica, las células fotovoltaicas monocristalinas están compuestas por una red cristalina uniforme o única, mientras que las policristalinas contienen estructuras cristalinas diferentes o variadas. Las células solares también pueden clasificarse por su número de capas o "uniones p-n". La mayoría de las células fotovoltaicas comerciales son de una sola unión, pero también se han desarrollado células fotovoltaicas de varias uniones que proporcionan mayores eficiencias a un mayor coste.

Ver lecturas adicionales

Referencias

  1. "20110504-RD-LSC-0621 - Flickr - USDAgov" by U.S. Department of Agriculture. Licensed under CC BY 2.0 via Wikimedia Commons - http://commons.wikimedia.org/wiki/File:20110504-RD-LSC-0621_-_Flickr_-_USDAgov.jpg#/media/File:20110504-RD-LSC-0621_-_Flickr_-_USDAgov.jpg
  2. C. Julian Chen. Physics of Solar Energy, 1st ed. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons Inc., 2011.
  3. Wikimedia Commons [Online], Available: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7d/Operation_of_a_basic_photovoltaic_cell.gif
  4. Creado internamente por un miembro del equipo de Energy Education. Adapted from: Ecogreen Electrical. (August 14, 2015). Solar PV Systems [Online]. Available: http://www.ecogreenelectrical.com/solar.htm
  5. G. Boyle. Renewable Energy: Power for a Sustainable Future, 2nd ed. Oxford, UK: Oxford University Press, 2004.
  6. 6,0 6,1 6,2 R. Wolfson, "Photovoltaic Solar Energy" in Energy, Environment, and Climate, 2nd ed., New York, NY: W.W. Norton & Company, 2012, ch. 9, sec. 5, pp. 244-252
  7. Dirk C. Jordan and Sarah R. Kurtz. Photovoltaic Degradation Rates — An Analytical Review, National Renewable Energy Laboratory, USA, 2012. Accessed April 24, 2018. [Online] Available at https://www.nrel.gov/docs/fy12osti/51664.pdf
  8. Wikimedia Commons. (August 18, 2015). Comparison of Solar Cells [Online]. Available: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/71/Comparison_solar_cell_poly-Si_vs_mono-Si.png