Una célula fotovoltaica (PV), también conocida como celda solar, es un elemento electrónico que genera electricidad cuando se expone a fotones o parches de luz. Esta conversión se denomina efecto fotovoltaico y fue descubierto en 1839 por el físico francés Edmond Becquerel.
No fue hasta la década de 1960 que las células fotovoltaicas plantaron su primera operación práctica en tecnología satelital. Las placas solares, que se componen de varios módulos de células fotovoltaicas, empezaros a llegar a los tejados a finales de la década de los años 1980. La capacidad fotovoltaica ha ido creciendo de forma constante desde el inicio del siglo XXI, liderada por la construcción de enormes granjas solares.
Cómo funciona una célula fotovoltaica
Célula fotovoltaica en paneles solares instalados por Telpro Madrid
Una celda fotovoltaica está hecha de pertrechos semiconductores que absorben los fotones emitidos por el sol e inducen una entrada de electrones. Los fotones son parches abecedarios que transportan radiación solar a una velocidad de kilómetros por segundo. En la década de 1920, Albert Einstein se les apareció como “granos de luz”. Cuando los fotones chocan contra un material semiconductor como el silicio, liberan los electrones de sus títulos, dejando un espacio vacío. Los electrones chapuceros se mueven sin rumbo fijo en busca de otro “agujero” que llenar.
Aun así, para producir una corriente eléctrica, los electrones deben fluir en la misma dirección. Esto se consigue utilizando 2 tipos de silicio. La subcasta de silicio que está expuesta al sol se desenreda con títulos de fósforo, que tiene un electrón más que el silicio, mientras que el otro lado se desenreda con títulos de boro, que tiene un electrón más bajo.
El sándwich en funcionamiento funciona de manera muy similar a una batería: la subcasta que tiene electrones grasos se convierte en el terminal negativo (n) y el lado que tiene una deficiencia de electrones se convierte en el terminal positivo (p). Se genera un campo eléctrico en la unión que hay entre las dos capas.
Cuando los electrones son excitados por los fotones, son barridos hacia el lado n por un campo eléctrico, mientras que los huecos se desplazan hacia el lado p. Los electrones y los agujeros se dirigen a las conexiones eléctricas aplicadas a ambos lados antes de fluir al circuito externo en forma de energía eléctrica. Esto produce corriente continua. Se agrega un recubrimiento antirreflectante a la parte superior de la celda para minimizar la pérdida de fotones debido al reflejo de la cara.
Efectividad de la célula fotovoltaica
La eficacia es la tasa de energía eléctrica producida por la célula al cuanto de sol que recibe. Para medir la efectividad, las células se combinan en módulos, que a su vez se ensamblan en matrices. Los paneles de actuación también se colocan frente a un simulador solar que imita las condiciones ideales del sol en vatios (W) de luz por cadencia cuadrada a una temperatura ambiente de 25 ° C.
La potencia eléctrica producida por el sistema, o potencia pico, es una probabilidad de la energía solar entrante, sin embargo, tiene una efectividad de 20, si un panel que mide una cadencia cuadrada genera 200 W de potencia eléctrica. La efectividad teórica máxima de una celda fotovoltaica es de alrededor de 33. Esto se denomina límite de Shockley-Queisser.
El efecto fotovoltaico lo descubrió Edmond Becquerel en el año 1839.
En la vida real, la cantidad de electricidad producida por una celda, conocida como su asunto, se basa en su efectividad, el sol periódico promedio de la zona de vigas y el tipo de instalación. La radiación solar incidente varía significativamente, midiendo 1 megavatio-hora por cadencia de patio por tiempo (MWh / m2 / año) en el área de París frente a aproximadamente 1,7 MWh / m2. m / a en el sur de Francia y casi 3 MWh / sq. m / a en el desierto del Sahara. Esto significa que un panel solar con una efectividad de 15 inducirá 150 kWh / sq. m / a en París y 450 kWh / sq. m / año en el Sahara.
Diferentes tipos de células fotovoltaicas
Hay tres tipos principales de células fotovoltaicas. Sus eficiencias de conversión se mejoran todo el tiempo.
Células de silicio cristalino
El silicio se extrae de la sílice. Este último tiene muchas formas, incluido el cuarzo, que se encuentra en grandes cantidades en la arena. Las células de silicio representan más del 95% del mercado de células solares. En aplicaciones comerciales, su eficiencia oscila entre el 16,5% y el 22%, dependiendo de la tecnología utilizada.
En el método de procesamiento en frío, el silicio está compuesto por muchos cristales y se llama policristalino. Las células son fáciles de fabricar y tienen una eficiencia de laboratorio superior al 22%. En el método de extracción de la masa fundida, el silicio se convierte en una estructura monocristalina grande y se denomina monocristalino. Tiene una eficiencia de laboratorio de hasta el 26,6%. El precio de las células de silicio ha bajado en los últimos años, lo que hace que las fotovoltaicas sean muy competitivas con otras fuentes de electricidad.
Células de película fina
En lugar de cortar obleas de silicio de alrededor de 200 micrones, es posible material semiconductor en capas delgadas de solo unos pocos micrones de espesor sobre un sustrato como vidrio o plástico. Las sustancias comúnmente utilizadas son el telururo de cadmio y el seleniuro de cobre, indio, galio (CIGS), cuyas eficiencias de laboratorio son cercanas a las del silicio, 22,1% y 23,3%, respectivamente. El silicio amorfo (no cristalino) también se puede utilizar para fabricar células de película fina. Esta tecnología se ha aplicado durante mucho tiempo en calculadoras pequeñas, pero es menos eficiente que el silicio.
Células orgánicas
1 micrón: espesor (1/1000 de milímetro) de la capa semiconductora depositada sobre el sustrato de una célula fotovoltaica de película fina.
Las células solares orgánicas que utilizan moléculas o polímeros orgánicos en lugar de minerales semiconductores están comenzando a aplicarse comercialmente. Las celdas continúan teniendo una baja eficiencia de conversión y una vida útil corta, pero son potencialmente una alternativa de bajo costo en términos de producción. Otra tecnología, las células solares sensibilizadas con colorantes con pigmentos fotosensibles, inspiradas en la fotosíntesis, está comenzando a llamar la atención.
Perovskitas
Investigaciones anteriores sobre energía fotovoltaica orgánica (OPV) llevaron al descubrimiento de un nuevo tipo de célula llamada perovskita, que utiliza compuestos híbridos orgánicos-inorgánicos como material activo. Los perovskitas ya han alcanzado eficiencias de laboratorio en línea con las de otras tecnologías (el récord es del 23,7%).
Aunque todavía es necesario realizar mucha investigación antes de que las células puedan producirse en masa (la inestabilidad es un problema), los perovskitas tienen muchas ventajas. Además de ser ligeros y flexibles, sus materiales pueden mezclarse con tinta y aplicarse a grandes superficies. Además, son extremadamente rentables de producir.
Convergencia tecnológica
Científicos de todo el mundo están trabajando en la combinación de diferentes tecnologías fotovoltaicas para crear células de unión múltiple. La utilización de diferentes materiales permite que las células alcancen una eficiencia mucho mayor que el límite máximo teórico (33,5%), manteniendo los costes de fabricación bajo control. La investigación se centra principalmente en las células en tándem de silicio de película delgada, que producen una eficiencia teórica del 43%. La eficiencia teórica máxima de las celdas de unión múltiple es superior al 50%.