Rendimiento y eficiencia solar

La eficiencia de conversión de una célula fotovoltaica (PV) , o célula solar , es el porcentaje de la energía solar que brilla en un dispositivo fotovoltaico y que se convierte en electricidad utilizable. Mejorar esta eficiencia de conversión es un objetivo clave de la investigación y ayuda a que las tecnologías fotovoltaicas sean competitivas en términos de costos con respecto a las fuentes de energía convencionales.

FACTORES QUE AFECTAN LA EFICIENCIA DE LA CONVERSIÓN 

No toda la luz solar que llega a una célula fotovoltaica se convierte en electricidad. De hecho, la mayor parte se ha perdido. Múltiples factores en el diseño de las células solares influyen en la limitación de la capacidad de una célula para convertir la luz solar que recibe. Diseñar teniendo en cuenta estos factores es cómo se pueden lograr mayores eficiencias.

• Longitud de onda : la luz está compuesta de fotones (o paquetes de energía) que tienen una amplia gama de longitudes de onda y energías. La luz solar que llega a la superficie terrestre tiene longitudes de onda que van desde el ultravioleta, pasando por el rango visible, hasta el infrarrojo. Cuando la luz incide en la superficie de una célula solar, algunos fotones se reflejan, mientras que otros la atraviesan. Algunos de los fotones absorbidos convierten su energía en calor. El resto tiene la cantidad adecuada de energía para separar los electrones de sus enlaces atómicos y producir portadores de carga y corriente eléctrica.

• Recombinación : una manera de que la corriente eléctrica fluya en un semiconductor es que un "portador de carga", como un electrón con carga negativa, fluya a través del material. Otro portador de carga de este tipo se conoce como "agujero", que representa la ausencia de un electrón dentro del material y actúa como un portador de carga positiva. Cuando un electrón encuentra un agujero, pueden recombinarse y, por tanto, anular sus contribuciones a la corriente eléctrica. La recombinación directa, en la que los electrones y los huecos generados por la luz se encuentran, se recombinan y emiten un fotón, invierte el proceso a partir del cual se genera electricidad en una célula solar. Es uno de los factores fundamentales que limita la eficiencia. La recombinación indirecta es un proceso en el que los electrones o huecos encuentran una impureza, un defecto en la estructura cristalina o una interfaz que les facilita la recombinación y la liberación de su energía en forma de calor.

• Temperatura: las células solares generalmente funcionan mejor a bajas temperaturas. Las temperaturas más altas hacen que las propiedades del semiconductor cambien, lo que resulta en un ligero aumento de la corriente, pero una disminución mucho mayor del voltaje. Los aumentos extremos de temperatura también pueden dañar la celda y otros materiales del módulo, lo que lleva a una vida útil más corta. Dado que gran parte de la luz solar que incide sobre las células se convierte en calor, una gestión térmica adecuada mejora tanto la eficiencia como la vida útil.

• Reflexión : la eficiencia de una célula se puede aumentar minimizando la cantidad de luz reflejada desde la superficie de la célula. Por ejemplo, el silicio sin tratar refleja más del 30% de la luz incidente. Los revestimientos antirreflectantes y las superficies texturizadas ayudan a disminuir los reflejos. Una celda de alta eficiencia aparecerá de color azul oscuro o negro.

DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA DE LA CONVERSIÓN  

Los investigadores miden el rendimiento de un dispositivo fotovoltaico para predecir la energía que producirá la célula. La energía eléctrica es el producto de la corriente y el voltaje. Las relaciones corriente-voltaje miden las características eléctricas de los dispositivos fotovoltaicos. Si se conecta una determinada resistencia de "carga" a los dos terminales de una celda o módulo, la corriente y el voltaje que se producen se ajustarán de acuerdo con la ley de Ohm (la corriente a través de un conductor entre dos puntos es directamente proporcional a la diferencia de potencial entre los dos puntos). Las eficiencias se obtienen exponiendo la celda a un nivel de luz estándar constante mientras se mantiene una temperatura constante de la celda y midiendo la corriente y el voltaje que se producen para diferentes resistencias de carga.