De Solarpedia

Contenido 1 Qué es 2 Historia de las células solares fotovoltaicas 3 Principios físicos 3.1 Explicación simple 3.2 Electrones y huecos 3.3 La región n y la región p 3.4 Circuito equivalente de la célula solar 4 Materiales absorbentes de luz 4.1 Gruesos (Bulk) 4.1.1 Germanio 4.1.2 Silicio 4.2 Película delgada (Thin-films) 4.2.1 Multi-unión de arseniuro de galio 4.2.2 Concentradores solares fotovoltaicos 4.3 Puntos cuánticos (Quantum Dots) 5 Parámetros de una célula solar 5.1 Punto de Máxima Potencia 5.2 Factor de Eficiencia en la Conversión 5.3 Factor de Forma (Fill Factor) 6 Rendimiento 7 Enlaces externos

Qué es

La célula solar es un dispositivo semiconductor capaz de convertir los fotones procedentes del Sol (luz solar), en electricidad de una forma directa e inmediata. Esta conversión se conoce con el nombre de efecto fotovoltaico. Una forma más general de célula solar, afectada tanto por los fotones del Sol como los de otras fuentes artificiales, como una bombilla, se denomina célula fotovoltaica.

Las células solares tienen muchas aplicaciones. Son particularmente interesantes, y han sido históricamente utilizadas, para producir electricidad en lugares donde no llega la red de distribución eléctrica, tanto en áreas remotas de la Tierra como del espacio, haciendo posible el funcionamiento de todo tipo de dispositivos eléctricos como satélites de comunicaciones, radioteléfonos o bombas de succión de agua. Ensambladas en paneles o módulos y dispuestas sobre los tejados de las casas, por medio de un inversor, pueden inyectar la electricidad generada en la red de distribución para el consumo, favoreciendo la producción global de energía primaria de un país, de manera limpia y sostenible.

Historia de las células solares fotovoltaicas

El término fotovoltaico viene del griego (luz) y del nombre del físico italiano Volta, de donde proviene también voltio y voltaje. Literalmente significa luz y electricidad.

El efecto fotovoltaico fue atribuido por primera vez, en 1839, al físico francés Alexandre-Edmond Becquerel, sin embargo, no fue hasta 1883 cuando Charles Fritts construyó la primera célula fotovoltaica, recubriendo un semiconductor de selenio por una fina capa de oro, formando las primeras uniones p-n. Este pequeño dispositivo sólo tenía una eficiencia del 1%. Russell Ohl patentó la moderna célula solar en 1946 (US2402662).

Actualmente, podemos hablar ya de tres generaciones de células solares:

• Primera generación. El dispositivo consiste en una gran superficie de silicio, formada por una única capa de uniones p-n, la cual es capaz de generar electricidad usando el espectro visible de la luz solar. De este tipo son la mayoría de las células que se producen en la actualidad. Su eficiencia es baja, el rendimiento práctico no suele ir más allá del 15% y su coste, debido al proceso de elaboración, muy elevado.
• Segunda generación. Se basa en múltiples capas de uniones p-n. Cada capa está diseñada para absorber una longitud de onda mayor de la luz, incrementando la producción de electricidad y por tanto, la eficiencia.
• Tercera generación. Esta generación es muy diferente de las otras dos. El semiconductor no se apoya sobre las uniones p-n tradicionales para separar las cargas eléctricas foto-generadas. Estos nuevos dispositivos son las células solares del tipo sensibilizado por tinte (dye sensitized solar cells), las células de polímeros orgánicos y las de puntos cuánticos (quantum dot).

Principios físicos

Explicación simple

1. Los fotones de la luz solar chocan contra la célula solar y son absorbidos por un material semiconductor, por ejemplo el silicio.
2. Los electrones (carga negativa) salen despedidos de sus átomos respectivos, recorriendo el semiconductor y produciendo electricidad. Complementariamente a este efecto, también se crean (como burbujas) los huecos (carga positiva), que fluyen en dirección opuesta a la de los electrones.
3. Una agrupación numerosa de células solares, convierte la energía solar en corriente eléctrica continua lista para ser utilizada.

Opcionalmente,

1. La corriente continua puede entrar en un inversor.
2. El inversor convierte la corriente eléctrica continua en corriente alterna de 110 o 220 voltios, apta para el uso doméstico.
3. La corriente alterna puede ser inyectada en la red de distribución eléctrica y ser transportada a otros lugares.

Electrones y huecos

Como sabemos, la materia está compuesta por átomos, los cuales a su vez están formados por dos partes bien diferenciadas: el núcleo, dotado de carga eléctrica positiva y los electrones, que giran alrededor del núcleo en diferentes bandas de energía, con carga negativa que compensa a la del núcleo. Este conjunto, en condiciones normales, se mantiene estable y es eléctricamente neutro.

A los electrones de la última capa se les ha dado el nombre de electrones de valencia y tienen la característica de poder relacionarse con otros similares, formando una red cristalina. En base al comportamiento de los electrones de esta última capa, se puede hacer una división de los materiales eléctricos en: conductores, semiconductores y aislantes.

Cuando un fotón choca contra un trozo de silicio pueden pasar tres cosas:

• El fotón atraviesa el silicio y sigue su camino. Esto ocurre cuando la energía del fotón es menor que la energía que liga a los electrones de la última capa con su núcleo.
• El fotón es reflejado por la superficie de silicio. En este caso, la energía del fotón es mayor que la del enlace.
• El fotón es absorbido por el silicio. Esto ocurre cuando la energía del fotón es similar a la energía que liga a los electrones de valencia con el núcleo.

En este último caso, el fotón cede su energía al electrón y puede romper el enlace que le vincula al núcleo, quedando libre para circular por el semiconductor. El lugar dejado por el electrón se llama hueco y tiene carga positiva (igual a la del electrón pero de distinto signo). Estos huecos también se desplazan, ya que el electrón liberado es susceptible de caer en un hueco próximo. Este fenómeno de que un electrón ocupe la posición dejada por otro, se conoce con el nombre de recombinación.

Cuando la luz solar bombardea con fotones la superficie de un semiconductor, los pares de electrones-huecos creados se desplazan hacia zonas no iluminadas donde se recombinan y estabilizan al perder actividad. Sin embargo al moverse ambos en la misma dirección, no se produce corriente eléctrica. Para que se produzca una corriente eléctrica es necesario que los electrones-huecos se muevan en direcciones opuestas. Esto se puede conseguir creando un campo eléctrico en el interior del semiconductor.

La región n y la región p

Existen varias formas de crear un campo eléctrico en el interior de un semiconductor, casi todas ellas se basan en el potencial de contacto y la afinidad que ciertos materiales tienen por los electrones. En las células solares, lo que se suele hacer es unir dos regiones del silicio que han sido tratadas químicamente de forma diferente.

Una de las regiones, la denominada n ha sido dopada, impurificada con fósforo. El fósforo tiene 5 electrones de valencia, uno más que el silicio, de modo que esta región muestra una afinidad por los electrones menor que el silicio.

La otra región, denominada p, ha sido dopada con boro. El boro tiene sólo tres electrones de valencia, por lo que su afinidad para captar electrones es mayor que la del silicio puro.

Si unimos estas dos regiones por medio de materiales conductores, la unión p-n así formada presenta una diferencia de potencial que hace que los electrones liberados vayan hacia la zona n y los huecos hacia la zona p, produciéndose una corriente eléctrica.

Circuito equivalente de la célula solar

Para entender el comportamiento de una célula solar, es útil partir de un modelo eléctrico equivalente, basado en componentes eléctricos bien conocidos. Una célula ideal puede ser modelada como una fuente eléctrica conectada con un diodo en paralelo.

En la práctica, no existen células ideales, por lo que se colocan un resistencia en paralelo y una resistencia en serie.

A la izquierda se muestra dicho circuito equivalente. A la derecha, la representación esquemática de una célula solar.

Materiales absorbentes de luz

Todas las células solares requieren de un material absorbente de luz capaz de atrapar los fotones y desplazar electrones por medio del efecto fotovoltaico. Los materiales usados en las células solares suelen estar diseñados para absorber la luz solar que llega a la superficie de la Tierra; sin embargo, hay células solares optimizadas para absorber longitudes de onda que no llegan a atravesar la atmósfera. Estos materiales pueden usarse en múltiples configuraciones físicas para absorber diferentes longitudes de onda produciendo la separación de cargas (electrones y huecos).

La mayoría de las células solares entran dentro de la categoría de materiales gruesos (bulk, en inglés), suelen fabricarse a partir de barras (generalmente de silicio) cortadas en rodajas u obleas y tratadas químicamente de forma distinta por cada cara. Otros materiales se configuran como películas delgadas (thin-films) depositadas sobre un sustrato adecuado y, por último, el tercer grupo son los puntos cuánticos (quantum-dots).

Gruesos (Bulk)

Este tipo de tecnología hace referencia al proceso de fabricación, que consiste en la producción de un lingote cilindrico de silicio dopado con boro y que es recuadrado hasta obtener un prisma cuadrangular. Éste es cortado en rebanadas finas (0.3mm de espesor, más o menos) que se conoce en el mundo fotovoltaico con el nombre de obleas, y es el punto de partida para la fabricación de la mayoría de paneles fotovoltaicos actuales.

Germanio

El Germanio tiene un menor ancho de banda de absorción que el silicio, resultando apropiado para la absorción de longitudes de onda mayores, como la luz infrarroja. La obleas de este material pueden resultar útiles para la fabricación multi-capa de películas ligeras.

Silicio

El silicio cristalino es el material más utilizado en la fabricación de células solares. El silicio en grueso (bulk) puede clasificarse en varias categorías en función de la cristalinidad y el tamaño de los cristales de los que se pueden obtener lingotes, tiras u obleas.

1. Silicio monocristalino: es el que se suele obtener a través del proceso Czochralski. Las células de este material suelen ser más caras y las obleas resultantes de cortar los lingotes en finas rebanadas, no suelen cubrir todo el panel fotovoltaico, quedando las esquinas de cada célula sin material.
2. Silicio policristalino: Se fabrican cortando obleas a partir de lingotes cilíndricos cortados longitudinalmente como cuadrados. Las células obtenidas son más baratas que las obtenidas a partir de un único cristal, pero menos eficientes.
3. Tiras de silicio: se obtienen tiras delgadas a partir del silicio fundido, también tienen una estructura policristalina. Estas células aún tienen menos eficiencia que las policristalinas, pero se ahorra más en el proceso de fabricación ya que no se desperdicia tanto material al no necesitar la solidificación en lingotes.

Película delgada (Thin-films)

Multi-unión de arseniuro de galio

Las células multiunión de Arseniuro de Galio, son células altamente eficientes que han sido concebidas para ser utilizadas en aplicaciones especiales como los satélites, vehículos de exploración espacial, etc. que requieren un alto rendimiento. Estas células multiunión constan de múltiples películas delgadas cada una constituida por un semiconductor diferente. Una célula de triple unión, por ejemplo, podría estar compuesta por GaAs, Ge y GaInP₂.

Cada tipo de semiconductor se caracteriza por una banda de energía, que le hace más sensible a la luz de determinado color, o dicho de manera más precisa, a absorber radiación electromagnética de una determinada región del espectro. Los semiconductores se escogen cuidadosamente para lograr absorber todo el espectro solar produciendo la máxima electricidad posible.

Las células multiunión de GaAs son las células solares más eficientes hasta la fecha, alcanzando valores de hasta un 39%. También son las más costosas de producir (hasta 40$ US por cm²).

Concentradores solares fotovoltaicos

Curiosamente, y a pesar de su alto precio, las células multiunión forman parte de una de las tecnologías más prometedoras por su buena relación coste/eficiencia. En estos sistemas, la energía solar se concentra varios cientos de veces, lo que incrementa el rendimiento de la célula, permitiendo reducir el área de semiconductor requerida por watio generado. Fuentes reputadas aseguran que los precios de los concentradores solares, pronto se verán caer por debajo de los 3$ US/Watio.

Para ver ejemplos de concentradores solares en fase de desarrollo, visite el reciente experimento Sunflower, o las páginas del SunCube.

Puntos cuánticos (Quantum Dots)

Parámetros de una célula solar

Punto de Máxima Potencia

Una célula solar puede funcionar en un rango muy amplio de voltajes (V) y corrientes (I). Incrementando la resistencia de la carga (voltaje) en una célula desde cero (condición de cortocircuito) a un número infinito de valores (circuito abierto), se puede determinar el punto de máxima potencia (la máxima potencia eléctrica obtenida):

Factor de Eficiencia en la Conversión

El factor de eficiencia de conversión de energía solar de una célula (η, eta), es el porcentaje de potencia convertida (de la luz solar absorbida por la célula) en energía eléctrica capaz de hacer operar un circuito.

Este factor se calcula dividiendo el valor de P_m por la cantidad de irradiación obtenida en las condiciones estándares de medida. La energía de irradiación se indica en W/m² y la superficie de la célula, A_c, en m²:

Factor de Forma (Fill Factor)

El Factor de Forma o Factor de Relleno (FF), es otro parámetro interesante para el estudio del comportamiento de una célula solar. Expresa la razón entre el punto de máxima potencia y el producto entre el voltaje a circuito abierto y la corriente en cortocircuito:

Rendimiento

El rendimiento de una célula de silicio varía entre el 6% aportado por células de silicio amorfo y el 40% (o más) obtenido a partir de células multi-unión en laboratorios de investigación. La eficiencia de conversión que se suele obtener en las células disponibles comercialmente (silicio monocristalino) está alrededor del 12%. Las células altamente eficientes no son precisamente las más económicas. Por ejemplo, el 30% logrado por las altamente eficientes células multi-unión de materiales exóticos (como el arseniuro de galio o el seleniuro de indio) producidas en pequeña escala, puede costar hasta cien veces más que las menos eficientes de silicio amorfo (8%) producidas en masa, generando sólo cuatro veces la potencia de estas últimas.

Para un uso práctico de la energía solar fotovoltaica, la electricidad generada se suele inyectar en las redes de distribución pública a través de inversores. En sistemas aislados de la red, la energía eléctrica generada se puede acumular y ser utilizada en el momento en que se precise.

Se suele decir que una célula solar nunca llegará a producir más energía de la que se usó en su fabricación. Esto es falso. Considerando que el tiempo medio de vida de una célula solar es de 40 años y que el tiempo de retorno de esa energía no suele superar los cinco años (dependiendo del tipo de célula y de las condiciones de trabajo), significa que la capacidad de producción energética de esa célula solar, no sólo es suficiente para amortizarse a sí misma, sino que serviría para reproducirse hasta 30 veces durante todo su ciclo de vida.

Enlaces externos

• Sliver solar cells (Células solares bifaciales)
• Células solares esféricas (Sphelar®)
• Dye sensitized solar cells (DSSC)