Conceptos básicos de las células solares fotovoltaicas

Cuando la luz incide sobre una célula fotovoltaica (PV) , también llamada célula solar , esa luz puede reflejarse, absorberse o atravesar la célula. La célula fotovoltaica está compuesta de material semiconductor; el “semi” significa que puede conducir la electricidad mejor que un aislante pero no tan bien como un buen conductor como un metal. Hay varios materiales semiconductores diferentes que se utilizan en las células fotovoltaicas.

Cuando el semiconductor se expone a la luz, absorbe la energía de la luz y la transfiere a partículas cargadas negativamente en el material llamadas electrones. Esta energía adicional permite que los electrones fluyan a través del material como una corriente eléctrica. Esta corriente se extrae a través de contactos metálicos conductores (las líneas en forma de rejilla en las células solares) y luego puede usarse para alimentar su hogar y el resto de la red eléctrica.

La eficiencia de una celda fotovoltaica es simplemente la cantidad de energía eléctrica que sale de la celda en comparación con la energía de la luz que incide sobre ella, lo que indica qué tan efectiva es la celda para convertir energía de una forma a otra. La cantidad de electricidad producida a partir de células fotovoltaicas depende de las características (como la intensidad y las longitudes de onda) de la luz disponible y de los múltiples atributos de rendimiento de la célula.

Una propiedad importante de los semiconductores fotovoltaicos es la banda prohibida, que indica qué longitudes de onda de luz el material puede absorber y convertir en energía eléctrica. Si la banda prohibida del semiconductor coincide con las longitudes de onda de la luz que brilla sobre la celda fotovoltaica, entonces esa celda puede hacer uso eficiente de toda la energía disponible.

Obtenga más información a continuación sobre los materiales semiconductores más utilizados para células fotovoltaicas.

Imagen de tres células solares hechas de diferentes materiales de silicio: silicio de película fina, monocristalino y policristalino.

SILICIO 

El silicio es, con diferencia, el material semiconductor más común utilizado en las células solares y representa aproximadamente el 95% de los módulos vendidos en la actualidad. También es el segundo material más abundante en la Tierra (después del oxígeno) y el semiconductor más común utilizado en los chips de computadora. Las células de silicio cristalino están formadas por átomos de silicio conectados entre sí para formar una red cristalina. Esta celosía proporciona una estructura organizada que hace que la conversión de luz en electricidad sea más eficiente.

Actualmente, las células solares fabricadas con silicio ofrecen una combinación de alta eficiencia, bajo coste y larga vida útil. Se espera que los módulos duren 25 años o más y sigan produciendo más del 80% de su energía original después de este tiempo.

FOTOVOLTAICA DE PELÍCULA DELGADA 

Una célula solar de película delgada se fabrica depositando una o más capas delgadas de material fotovoltaico sobre un material de soporte como vidrio, plástico o metal. Actualmente, existen dos tipos principales de semiconductores fotovoltaicos de película delgada en el mercado: telururo de cadmio (CdTe) y diseleniuro de cobre, indio y galio (CIGS). Ambos materiales se pueden depositar directamente sobre la parte frontal o posterior de la superficie del módulo.

El CdTe es el segundo material fotovoltaico más común después del silicio, y las células de CdTe se pueden fabricar mediante procesos de fabricación de bajo costo. Si bien esto los convierte en una alternativa rentable, su eficiencia aún no es tan alta como la del silicio. Las células CIGS tienen propiedades óptimas para un material fotovoltaico y altas eficiencias en el laboratorio, pero la complejidad que implica la combinación de cuatro elementos hace que la transición del laboratorio a la fabricación sea más desafiante. Tanto el CdTe como los CIGS requieren más protección que el silicio para permitir un funcionamiento duradero en exteriores.

PEROVSKITA FOTOVOLTAICA

Las células solares de perovskita son un tipo de célula de película fina y reciben su nombre de su característica estructura cristalina. Las celdas de perovskita se construyen con capas de materiales que se imprimen, recubren o depositan al vacío sobre una capa de soporte subyacente, conocida como sustrato. Por lo general, son fáciles de ensamblar y pueden alcanzar eficiencias similares a las del silicio cristalino. En el laboratorio, la eficiencia de las células solares de perovskita ha mejorado más rápido que la de cualquier otro material fotovoltaico, del 3% en 2009 a más del 25% en 2020. Para ser comercialmente viables, las células fotovoltaicas de perovskita deben volverse lo suficientemente estables como para sobrevivir 20 años al aire libre, por lo que los investigadores están trabajando para hacerlos más duraderos y desarrollando técnicas de fabricación a gran escala y de bajo costo.