Célula fotovoltaica: Qué es, tipos y cómo funciona

definicion
célula fotovoltaica

Una célula fotovoltaica es un componente electrónico que, cuando se expone a fotones de luz, produce electricidad. Este efecto fotovoltaico fue descubierto en 1839 por el físico francés Antoine Becquerel.

No fue hasta la década de 1960 y los satélites espaciales que las células encontraron aplicaciones reales. Los paneles solares, formados por conjuntos de células, comenzaron a llegar a los tejados a finales de los años 80.

El auge de los paneles fotovoltaica, con grandes parques de producción eléctrica, no ha parado desde principios del siglo XXI.

Célula fotovoltaica: el principio de su funcionamiento

El funcionamiento de una célula fotovoltaica se basa en las propiedades de los semiconductores que, golpeados por fotones, ponen en movimiento un flujo de electrones.

Los fotones son partículas elementales que transportan energía solar a 300.000 km/s y que Albert Einstein llamó en la década de 1920 “granos de luz”. Cuando golpean un objeto semi conductor como el silicio le arrebatan electrones a sus átomos.

Estos electrones se ponen en movimiento, de forma desordenada, en busca de otros «huecos» en los que reposicionarse.

Pero para que haya una corriente eléctrica, estos movimientos de electrones deben ir todos en la misma dirección. Para ayudarlos, combinaremos dos tipos de silicio. La cara expuesta al sol está «dopada» con átomos de fósforo que contienen más electrones que el silicio, la otra cara está dopada con átomos de boro que tienen menos electrones.

Célula fotovoltaica funcionamiento

Esta doble cara se convierte en una especie de batería: el lado más cargado de electrones se convierte en el terminal negativo (N) y el lado con menos electrones se convierte en el terminal positivo (P). Entre los dos se crea un campo eléctrico.

Cuando los fotones lleguan a excitar a los electrones, estos migran hacia la zona N gracias al campo eléctrico, mientras que los “huecos” se dirigen hacia la zona P.

Se recuperan mediante contactos eléctricos depositados en la superficie de las dos zonas antes de entrar en el circuito externo en forma de energía eléctrica y crean una corriente continua. Una capa antirreflectante evita que se pierdan demasiados fotones al ser reflejados por la superficie.

La eficiencia de una célula fotovoltaica

La eficiencia es la relación entre la potencia eléctrica y la potencia luminosa que incide sobre la celda. Para definir esto, las células, reunidas en módulos y luego en paneles, se calibran colocándolas frente a un simulador solar, que reproduce las condiciones óptimas: una insolación de 1000 W de luz por metro cuadrado, una temperatura ambiente de 25 °C.

La energía eléctrica creada, llamada potencia pico, es un porcentaje de la energía solar recibida. Si un panel de 1 m2 produce una potencia eléctrica de 200 W, su eficiencia será del 20%. El rendimiento de este tipo de celda no puede exceder un límite teórico de alrededor del 33%, llamado “límite Shockley-Queisser”.

celda fotovoltaica eficiencia
El efecto fotovoltaico fue descubierto en 1839 por el físico francés Edmond Becquerel.

En condiciones reales, la cantidad de electricidad que producirá la celda, denominada “producible”, se calculará teniendo en cuenta su producción, el nivel medio de insolación en la región durante un año y las condiciones de la instalación.

La energía solar incidente pasa de 1 MWh / m2/ por año en la región de París, alrededor de 1,7 en el sur de Francia y casi 3 en el desierto del Sahara. Por lo tanto, un panel con una eficiencia del 15% producirá 150 kWh / m2/ año en la región de París y 450 en el Sahara.

Los diferentes tipos de células fotovoltaicas

Hay tres familias principales de células y sus rendimientos mejoran constantemente:

Células de silicio cristalino

El silicio se extrae de la sílice, una de cuyas formas es el cuarzo, que es muy abundante en las arenas. Las células de silicio constituyen más del 95% del mercado y su eficiencia media, para productos comerciales, oscila entre el 16,5% y el 22% según su tecnología.

Con el tratamiento en frío, el silicio está formado por varios cristales (policristalinos). Es fácil de producir y alcanza un rendimiento superior al 22% en laboratorio.

El silicio fundido se puede reconstituir en un gran cristal (monocristalino), con un rendimiento de hasta el 26,6% en el laboratorio. El precio de estas celdas de silicio se ha vuelto muy competitivo junto con otras soluciones de generación de energía en los últimos años.

celula fotovoltaica diferentes tipos

Células de película fina

En lugar de cortar silicio en finas plaquetas de alrededor de 200 micrones, es posible depositar materiales semiconductores en capas con un espesor de algunas micras sobre un sustrato, por ejemplo vidrio o plástico.

Se puede utilizar telururo de cadmio o CIGS (cobre / indio / galio / selenio). Los rendimientos en el laboratorio se acercan a los del silicio (22,1% y 23,3% respectivamente). El silicio también se puede utilizar en películas delgadas si está en su forma «amorfa» (no cristalizada). Esta es la tecnología que se ha utilizado durante mucho tiempo en calculadoras pequeñas, pero la eficiencia es menor.

Célula fotovoltaica orgánica

Basados ​​en moléculas o polímeros de química orgánica y ya no en semiconductores minerales como los anteriores, están comenzando a tener aplicaciones. Sus rendimientos son todavía bajos y la estabilidad a largo plazo no es suficiente, pero estas células podrían tener un coste de producción muy bajo. También encontramos células con pigmentos fotosensibles inspirados en fotosíntesis vegetal llamadas células de tinte.

Célula fotovoltaica Perovskita

Investigaciones anteriores sobre energía fotovoltaica orgánica llevaron al descubrimiento de un nuevo tipo de células llamadas perovskitas. Se basan en un material híbrido con una parte orgánica y una inorgánica. Sus rendimientos de laboratorio ya están alcanzando los de otras tecnologías (el récord es del 23,7%).

placa fotovoltaica como se usan

Si bien aún requieren mucha investigación antes de la industrialización por presentar problemas de inestabilidad, tienen muchas ventajas: ligeras, flexibles, con posibilidad de ser manipuladas en forma de tinta para grandes recubrimientos y tienen sobre todo un bajo costo de fabricación.

Hacia una convergencia de tecnologías

Investigadores de todo el mundo están trabajando en combinaciones entre estas diferentes familias para crear células de unión múltiple. La asociación de varios tipos de células permite superar con creces el techo teórico de rendimiento (33,5%), manteniendo los costes bajos.

Los estudios se centran principalmente en las llamadas células dobles “tándem”, que combinan silicio y películas delgadas, cuya eficiencia teórica es del 43%. Las celdas de unión múltiple tienen un límite teórico superior al 50%.

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