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Celdas fotovoltaicas

Las celdas fotovoltaicas son el corazón del panel solar, el lugar dónde se genera la enería eléctrica. Este es un fenómeno físico llamado efecto fotovoltaico,

La celdas fotovoltaicas generan electricidad de manera limpia, silenciosa y respetando el medio ambiente.

¿Que son las celdas fotovoltaicas?

Celdas fotovoltaicas definicion

La célula fotovoltaica es el dispositivo semiconductor que convierte la luz en energía eléctrica. El voltaje inducido por la celda fotovoltaica depende de la intensidad de la luz que incide sobre ella. El nombre fotovoltaico se debe a su capacidad de producción de voltaje.

Los electrones del material semiconductor están unidos por el enlace covalente. Las radiaciones electromagnéticas están formadas por pequeñas partículas de energía llamadas fotones. Cuando los fotones inciden sobre el material semiconductor, los electrones se energizan y comienzan a emitirse.

El electrón energizante se conoce como fotoelectrones. Y el fenómeno de emisión de electrones se conoce como efecto fotoeléctrico. El funcionamiento de la célula fotovoltaica depende del efecto fotoeléctrico.

Iformación sobre celdas fotovoltaicas

¿Cómo funcionan las celdas fotovoltaicas?

A continuación explicaremos cómo funcionan las celdas solares, de manera sencilla y fácil de entender.

La luz incidente sobre el material semiconductor puede pasar o reflejarse a través de él. La celda fotovoltaica está hecha de material semiconductor que no es un conductor completo ni un aislante. Esta propiedad del material semiconductor lo hace más eficiente para convertir la energía luminosa en energía eléctrica.

Cuando el material semiconductor absorbe luz, los electrones del material comienzan a emitir. Esto sucede porque la luz está formada por pequeñas partículas energéticas llamadas fotones. Cuando los electrones absorben los fotones, se energizan y comienzan a moverse hacia el material. Debido al efecto de un campo eléctrico, las partículas se mueven solo en una dirección y desarrollan corriente. Los materiales semiconductores tienen los electrodos metálicos a través de los cuales sale la corriente.

Considere que la siguiente figura muestra la celda fotovoltaica hecha de silicio y la carga resistiva está conectada a través de ella. La celda fotovoltaica consta de una capa de material semiconductor tipo P y N. Estas capas se unen para formar la unión PN.

celda fotovoltaica funcionamiento

 

Resumen del funcionamiento de una celda fotovoltaica

 

Una célula solar es un sándwich de silicio de tipo n (azul) y silicio de tipo p (rojo). Genera electricidad utilizando la luz solar para hacer que los electrones salten a través de la unión entre los diferentes sabores de silicio:

  1. Cuando la luz solar incide sobre la célula, los fotones (partículas de luz) bombardean la superficie superior.
  2. Los fotones (manchas amarillas) llevan su energía a través de la célula.
  3. Los fotones ceden su energía a los electrones (manchas verdes) en la capa inferior tipo p.
  4. Los electrones usan esta energía para saltar a través de la barrera hacia la capa superior de tipo n y escapar hacia el circuito.
  5. Fluyendo alrededor del circuito, los electrones hacen que la lámpara se encienda.

Los contactos de metal se colocan en los lados frontal y posterior de la celda solar para permitir la recolección de corriente de la celda fotovoltaica. Se puede aplicar una fina capa de contacto de pasta de aluminio o plata en la parte posterior. La parte frontal debe transmitir la luz lo máximo posible, por lo que los contactos se suelen aplicar en forma de malla fina, realizada mediante serigrafía.

¿Para que sirven las celdas fotovoltaicas?

Las celdas fotovoltaicas tienen muchas aplicaciones en el mundo actual, a continuación te contaré sobre para que sirven las celdas fotovoltaicas .

Algunos de los usos mas comunes son:

  • Generación de energía el+ectrica en los hogares.
  • Abastecer de electricidad a dispositivos electrónicos.
  • Se utilizan en naves espaciales y satélites
  • Para generar electricidad de manera limpia, silenciosa y sin emisiones tóxicas.

Composición de la célula solar

El papel del componente de la célula fotovoltaica.

Para producir una cantidad interesante de electricidad, el panel solar suma las corrientes eléctricas generadas por las células fotovoltaicas. Dependiendo del material de construcción utilizado para hacer una celda solar, la potencia obtenida puede ir de simple a doble. El rendimiento del material semiconductor  es de gran importancia, porque para un área igual, puede ser de varios intereses de un material a otro. Hay muchos, pero el silicio, presente en cantidad en la superficie de la Tierra, es el más utilizado.

Silicio amorfo

El silicio amorfo se obtiene a partir del gas de silicio. Este gas se vaporiza sobre un soporte, en vidrio, plástico flexible o metal, gracias a un proceso de aspersión al vacío. Estas células fotovoltaicas son de color gris oscuro.

Silicio monocristalino

El silicio monocristalino es el resultado del enfriamiento del silicio fundido. Una vez solidificado, se convierte en un cristal uniforme que se corta en rodajas finas para formar la célula fotovoltaica. El color de este material es azul, sin rastro de cristales o similares.

Silicio policristalino

Para obtener silicio policristalino, el silicio se funde en un molde de metal cuadrado alargado, llamado lingotera. El color de este tipo de celda es azul y está salpicado de patrones dejados por los cristales. Esta característica nos permite reconocer fácilmente esta celda fotovoltaica.

Telururo de cadmio

El telururo de cadmio (CdTe) es otra materia prima que permite el diseño de células fotovoltaicas. El proceso de fabricación atrapa herméticamente, entre dos soportes de vidrio, una capa de absorción de telururo de cadmio.

¿Cuáles son los tipos de celdas fotovoltaicas?

A la hora de pensar en montar una instalación fotovoltaica en su propia casa, debemos decidir la selección de un tipo específico de celda fotovoltaica utilizada. Aunque podemos utilizar el conocimiento y la experiencia de los diseñadores e instaladores de tales instalaciones, vale la pena conocer en qué se diferencian los distintos tipos de células fotovoltaicas que existen entre sí.

Tipos de células fotovoltaicas: primera y segunda generación

Las generaciones de células fotovoltaicas son el criterio de división básico. Como regla general, distinguimos dos de ellos, mientras que dentro de cada subgrupo hay divisiones adicionales que vale la pena conocer. La primera generación consta de células solares basadas en silicio, uno de los elementos más conocidos, cuyo uso es muy amplio. La construcción de este tipo de células fotovoltaicas se basa en las denominadas Uniones PN, es decir, una combinación de semiconductores con diferentes tipos de conductividad. Dentro de la primera generación, distinguimos entre dos subgrupos:

  • células monocristalinas,
  • células policristalinas.

celula solar monocristalina

La segunda generación, es decir, la tecnología de paneles solares de película delgada

En la segunda generación, encontramos tipos de células fotovoltaicas como:

  • Paneles fotovoltaicos CIGS,
  • paneles fotovoltaicos amorfos,
  • Células CdTe,
  • teñir células solares.

Aquí aparecen muchos nombres que suenan extranjeros. Solo necesitamos saber que su estructura generalmente usa un elemento diferente al silicio, por ejemplo, arseniuro de galio o diselenuro de indio-cobre. Gracias a ello consiguen un mejor rendimiento, aunque son mucho más caras.

¿Células mono o policristalinas?

Estas células también difieren en el proceso de producción. Los monocristalinos están hechos de un solo cristal estirado. Su rasgo característico es la forma que se asemeja a un óvalo ligeramente truncado en los bordes. La mayoría de las veces son negros. Para la producción de células policristalinas, se utiliza un bloque de silicio con muchos cristales. En la fase de producción, lo cortamos en tejas cuadradas. También podemos notar el brillo característico de tales células, y después de una mirada más cercana, podemos ver cristales individuales.

Ventajas y desventajas de los tipos de células fotovoltaicas de primera generación.

Las células fotovoltaicas monocristalinas también tienen una mayor eficiencia, que alcanza hasta el 46% en condiciones de laboratorio. En aplicación masiva alcanza el 20%. Actualmente es el tipo más eficiente y es más caro de producir debido al complejo proceso de producción y la necesidad de recortar adecuadamente el monolito para su uso en el módulo.

Por otro lado, tenemos las células policristalinas, que son más económicas y, por tanto, están muy extendidas a mayor escala. En condiciones de laboratorio alcanzan una eficiencia del 17% y en uso solo del 16%. Sin embargo, se caracterizan por una menor disminución de potencia con el aumento de temperatura.

Células fotovoltaicas de segunda generación

El tipo más popular de células fotovoltaicas de segunda generación son los paneles fotovoltaicos amorfos. Su nombre proviene del tipo de silicio que se utiliza en la producción: no está cristalizado. Se caracteriza por la menor eficiencia, que oscila entre el 6-8%, pero al mismo tiempo la instalación que lo utiliza es la más barata. Usamos con mayor frecuencia este tipo de silicio en:

  • fachadas de edificios,
  • herrajes para ventanas,
  • luciérnagas
  • las particiones internas del edificio.

Paneles fotovoltaicos CIGS

Los CIGS son células fotovoltaicas de película delgada que están hechas de los elementos:

  • cobre
  • indio
  • galio,
  • selenio.

Gracias a ello, consiguen una eficiencia que llega incluso al 14%. Por otro lado, son extremadamente caras y, por tanto, las instalaciones basadas en estas células son las más utilizadas por los edificios corporativos. Vi Technology tuvo una gran influencia en su difusión en Polonia. Las tecnologías solares innovadoras comenzaron a desarrollarse lentamente a partir de 2011.

celdas solares flexibles

Células CdTe

Este tipo de células fotovoltaicas se componía de telururo de cadmio, cuya extracción es incluso menor que la de los elementos antes mencionados que se encuentran en las células CIGS. Su eficiencia alcanza el 12%. El módulo de células solares de esta tecnología es rojo. Para este tipo de paneles fotovoltaicos de película fina, el precio impuesto por los fabricantes es altísimo.

celdas flexibles

Celdas solares de tinte

Las células solares a base de colorantes son otro tipo de paneles fotovoltaicos de capa fina, son una solución innovadora en el mercado de la producción de energía ecológica. Su modo de acción se asemeja a la fotosíntesis: la luz estimula el pigmento que contienen, que participa activamente en la conversión de la radiación en energía.

Células fotovoltaicas de tercera generación

Los diferentes tipos de células fotovoltaicas no terminan con la segunda generación. También distinguimos el tercero, en el que, sin embargo, es difícil distinguir las tecnologías exactas que se han utilizado. En primer lugar, se trata de la inocuidad y la fácil disponibilidad de los materiales con los que se fabrican los módulos. Este grupo incluye, por ejemplo, todas las células solares impresas que son:

  • ligero,
  • flexible,
  • elástico,
  • barato de producir,
  • generalmente disponible.

Por otro lado, sin embargo, son mucho menos eficientes, por lo que se necesitan más para lograr el mismo efecto. A veces, las células solares de tinte, que se discutieron un poco antes, se incluyen en esta generación. Todo depende del material y método de producción.

¿Qué celdas elegir?

celda solar fotovoltaica

Actualmente, las más populares en el mercado son las células fotovoltaicas de primera generación, mono y policristalinas, con una ligera ventaja de estas últimas. En primer lugar, se caracterizan por la sencillez en el diseño de la instalación y el montaje. Y aunque los paneles solares CIGS también son relativamente asequibles, siempre debemos tener en cuenta la relación precio-rendimiento.

Tampoco tenemos muy buenas noticias para las personas que se guían principalmente por el sentido estético. Aunque es posible colorear cualquier cosa cambiando la lámina que cubre la celda, su eficiencia cae drásticamente.

¿Cómo se fabrican las celdas fotovoltaicas?

Las células fotovoltaicas (también conocidas como células fotovoltaicas o células solares) son semiconductores que convierten la energía de la luz solar en electricidad pura. Para hacer esto, utilizan sus propiedades físicas. Cuando los rayos del sol caen sobre el enlace, el llamado Fenómeno fotovoltaico.

¿En qué consiste una celda fotovoltaica?

Las células fotovoltaicas deben tener las propiedades de los semiconductores, razón por la cual elementos como el silicio, el germanio y el selenio se utilizan con mayor frecuencia en su construcción.

Otro hecho que habla a favor del uso de silicio en la construcción de células fotovoltaicas es que este elemento tiene hasta cuatro electrones de valencia en la última capa. Y el fenómeno de la fotoemisión ocurre más rápidamente en átomos que contienen tantos de ellos como sea posible. Por esta razón, el silicio se combina con otros elementos, como el selenio, para obtener un mayor número de electrones de valencia.

Básicamente, una fotocélula está formada por dos capas de semiconductores. La primera es una capa fina y transparente de tipo n en la parte superior. Encima hay un electrodo negativo y un revestimiento antirreflectante. Hay un electrodo positivo en la parte inferior. La segunda capa en la parte inferior es del tipo p más grueso. Ambas capas están separadas por una barrera potencial formada por uniones pn.

Células fotovoltaicas con capa PERC

Las células fotovoltaicas con una capa de PERC en la capa inferior tienen una capa dieléctrica adicional. Es un aislante eléctrico que funciona como reflector. Los rayos del sol que alcanzan la capa inferior de la placa pero no han producido un electrón se reflejan, lo que les da una posibilidad adicional de producir energía.

celula solar fotovoltaica

Células fotovoltaicas “cortadas a la mitad”

Las células fotovoltaicas tradicionales miden 156 × 156 mm. En los módulos HALF CUT, las celdas miden 156 × 78 mm. Gracias a esto, de 60 celdas en un módulo estándar, obtenemos 120 w de medio corte. Las celdas de esta serie tienen una alta eficiencia y se caracterizan por un mejor funcionamiento con un módulo parcialmente sombreado.

Célula fotovoltaica: ¿qué está sucediendo dentro?

Para empezar, los fotones (tipo p) chocan con los electrones a los que transfieren toda su energía. Si este valor es lo suficientemente grande, se produce el fenómeno de la fotoemisión, es decir, la expulsión de electrones de las órbitas atómicas. Cada uno de ellos, como resultado de la pérdida de electrones, adquiere una carga (+ e), mientras que el lugar por donde se ha ido el electrón se denomina agujero (tipo n). Este desplazamiento de cargas eléctricas provoca la diferencia de potencial, es decir, la tensión eléctrica.

¿Cuáles son las ventajas y desventajas de las celdas fotovoltaicas?

Célula fotovoltaica de silicio monocristalino

Esta célula fotovoltaica ofrece una eficiencia en torno al 25%, una de las mejores del mercado. La vida útil de los paneles solares compuestos por células de silicio monocristalino es de unos 30 años, lo que resulta muy rentable, a pesar del elevado coste de adquisición. La desventaja de este tipo de celda fotovoltaicaes que ofrece una eficiencia muy baja cuando no hay suficiente luz solar. Por tanto, se adapta mejor a las regiones más soleadas.

La célula fotovoltaica de silicio policristalino

La fabricación de este tipo de célula fotovoltaica es más sencilla que la versión de silicio monocristalino. Por tanto, su coste es menor. En el lado de la eficiencia del panel solar , podemos esperar entre un 10 y un 15%, que es significativamente más bajo que las células monocristalinas. Sin embargo, tiene la ventaja de poder utilizarse en tiempo nublado, gracias a su flexibilidad de irradiación.

La celda de silicio amorfo

Estacelda fotovoltaica tiene muchas ventajas. En primer lugar, su fabricación es económica. También se puede integrar en cualquier tipo de soporte, flexible o rígido. Otro punto positivo es que capta los rayos del sol incluso en días nublados. Su principal desventaja es que ofrece un bajo rendimiento, alrededor del 7% como máximo. Por lo tanto, para que sea rentable, es necesario que la superficie del panel solar sea sustancial. Asimismo, su rendimiento disminuye con el tiempo.

La célula fotovoltaica en tándem

La eficiencia de este tipo de célula es interesante, pero su compleja fabricación la convierte en una célula fotovoltaica cara de producir. Como ocurre con todos los demás modelos, la limpieza del panel solar  debe ser óptima para poder beneficiarse de un rendimiento constante y una mayor longevidad.

La célula fotovoltaica CIGS

Este tipo de celdas fotovoltaicas representa la nueva generación de célula fotovoltaica. En primer lugar, ofrece un rendimiento muy interesante, entre un 10 y un 20%. Una de las principales ventajas es que está diseñado con materiales distintos al silicio, que son menos tóxicos. Además, el soporte utilizado puede ser flexible para captar el máximo de rayos solares. Sin embargo, para obtener un buen rendimiento, es necesario proporcionar una superficie mayor que para otros tipos de células.

La celda de película delgada de telururo de cadmio

Este tipo de celdas fotovoltaicas utiliza una tecnología creada para desarrollar la eficiencia de los paneles solares. La apuesta es doblemente interesante, porque también permite reducir costes. Al ofrecer un coeficiente térmico bajo, este tipo de celda se compone, sin embargo, de productos tóxicos, lo cual es un gran inconveniente.

La célula fotovoltaica multiunión

La célula fotovoltaica de unión múltiple ofrece una eficiencia óptima de alrededor del 40%. El único inconveniente es que este tipo de celda fotovoltaica no se comercializa. De hecho, solo se utiliza en el entorno espacial.

¿Que es el efecto fotovoltaico?

efecto fotovltsico

Descubierto por el físico A. Becquerel en 1839, el efecto fotovoltaico es la transformación de la luz solar (“fotón”) en electricidad.

¿Aplicación del principio a las células fotovoltaicas?

Parte de la luz es absorbida por las celdas fotovoltaicas . La mayoría de las células están formadas por silicio que es muy abundante en la capa terrestre. En su estado puro, el cristal de silicio no tiene electrones libres, por lo que es un aislante. Por eso añadimos trazas de otras sustancias (p. Ej. Fósforo, boro) al silicio (hablamos de “dopaje” del cristal), para convertirlo en semiconductor.

Cuando el silicio se dopa respectivamente con fósforo (dopaje N), se introduce un electrón adicional. Al doparse con boro (dopaje P), falta un electrón; por lo tanto, se crea un agujero de electrones.

Por tanto, hemos creado una cara N rica en electrones y una cara P pobre en electrones. La superficie de separación se llama unión.

Cerca del cruce, el fenómeno es complejo. Muy brevemente, esto evita que los electrones en la cara N se difundan hacia los agujeros en la cara P.

¿El papel de la luz?

La luz solar transporta granos de energía llamados fotones . Los fotones que llegan a la superficie transfieren su energía a los electrones que así se ponen en movimiento en la misma dirección creando así una corriente eléctrica continua.

como funciona una celula solar

 

¿Cómo hacer celdas solares mas eficientes?

La demanda mundial de energía aumenta cada hora a medida que los países en desarrollo se dedican a la industrialización. Según los expertos, para el año 2050, la demanda de electricidad para todo el mundo alcanzará los 30 teravatios. (TW). Para que te hagas una idea, 1 teravatio equivale aproximadamente a la potencia de 1.300 millones de caballos de fuerza.

La energía solar no conoce límites. En cualquier momento, el Sol nos proporciona una potencia de 120.000 TW de forma gratuita. Pero hoy, esta forma de energía representa solo alrededor del 1% de la electricidad mundial. La cuestión fundamental es abaratar la conversión de la fotoenergía en energía eléctrica utilizable.

Para hacer esto, necesitamos encontrar materiales que absorban la luz solar y sean capaces de transformarla de manera eficiente en electricidad. Además, estos materiales deben encontrarse en abundancia, no ser dañinos para el medio ambiente y tener un costo razonable para fabricar dispositivos solares.

Investigadores de todo el mundo están trabajando para desarrollar tecnologías de células solares eficientes y asequibles. El objetivo era reducir el costo de la instalación de electricidad solar por debajo de 1 dólar por vatio, en lugar de alrededor de 3 dólares en la actualidad .

En el Centro de Energía Solar Autónoma de la Universidad de Binghamton, Nueva York, estamos investigando cómo obtener células solares en forma de película delgada utilizando materiales que no son tóxicos y abundantes en la naturaleza. Nuestro objetivo: desarrollar células solares fiables y de alto rendimiento para convertir la luz solar en electricidad que sean económicas de fabricar. Hemos identificado dos materiales que tienen una gran capacidad para absorber la radiación solar: la pirita, más conocida como “oro piquero” por su brillo metálico, y el sulfuro de cobre-zinc-estaño (CZTS).

En busca del material ideal

Actualmente, las células solares disponibles comercialmente están hechas de uno de tres materiales: silicio, telururo de cadmio (CdTe) y seleniuro de cobre-indio-galio (CIGS), cada uno con sus propios puntos. fortalezas y debilidades.

Las células solares con silicio son extremadamente eficientes, convirtiendo hasta un 25% de la luz solar que les llega en electricidad, de forma muy duradera. Sin embargo, procesar el silicio en obleas es muy caro y estas obleas tienen que ser muy gruesas (alrededor de 0,3 milímetros, un número significativo para las células solares) para absorber toda la luz solar que las golpea, razón por la cual además, aumenta el costo.

Las células solares hechas de silicio, a menudo denominadas células de primera generación, se utilizan en paneles, una vista que se ha vuelto familiar en los tejados. Nuestro centro está estudiando otro modelo, llamado células solares de “película delgada”, que son la próxima generación de tecnología solar. Como sugiere el nombre, estas células solares tan delgadas como una tira de película se fabrican colocando una fina capa de material que absorbe el sol en un medio como el vidrio o el plástico, que es de naturaleza flexible.

celulas solares flexibles
Celda solar sobre soporte de vidrio flexible fabricada por Corning. Tara Dhakal / Binghamton University 

Estas células solares utilizan menos material, por lo que son más baratas que las células solares cristalinas, hechas de silicio. Es imposible cubrir la silicona sobre un soporte flexible, por lo que necesitamos un material diferente capaz de absorber el sol.

Aunque la tecnología de película delgada solar avanza rápidamente, algunos materiales de estas células están resultando raros o peligrosos. Por ejemplo, el cadmio en CdTe es muy tóxico para todas las especies vivas y puede causar cáncer en humanos. El CdTe puede descomponerse en cadmio y telurio a altas temperaturas (por ejemplo, en un laboratorio o en un incendio) y causar peligros importantes si se inhala.

Trabajamos con pirita y CZTS porque no son tóxicos ni muy caros. CZTS cuesta alrededor de 0,005 centavos por vatio y la pirita solo 0,000002 centavos por vatio . Se encuentran entre los materiales más abundantes en la corteza terrestre y absorben eficazmente el espectro visible del Sol. Estas películas pueden ser tan delgadas como 1/1000 de milímetro.

celdas solares fotovoltaicas

Prueba de células solares CZTS en luz solar simulada. Tara Dhakal / Binghamton University

Necesitamos cristalizar estos materiales antes de poder convertirlos en células solares, lo cual se hace calentándolos. En lugar de los 1200 ° C o más requeridos para su transformación por silicio, CZTS cristaliza a temperaturas por debajo de 600 ° C, lo que lo hace menos costoso de procesar. Se comporta más o menos como las células solares CIGS, muy eficientes y ahora comercializadas, pero donde reemplazamos el indio y el galio por zinc y estaño, menos costosos y más abundantes.

Sin embargo, hasta ahora, las células solares CZTS siguen siendo relativamente ineficientes: convierten menos del 13% de la luz que reciben en electricidad en comparación con el 20% producido por las células CIGS, ciertamente más caras.

Sabemos que, potencialmente, las células solares CZTS pueden alcanzar un 30% de eficiencia. El principal desafío es, por un lado, sintetizar la película fina CZTS de alta calidad sin dejar rastros de impurezas y, por otro lado, encontrar un material adecuado para la capa tampón colocada debajo de la película. y que ayuda a recoger las cargas eléctricas creadas por la luz solar en la capa absorbente. Nuestro laboratorio produjo una película delgada de CZTS con una eficiencia del 7% y esperamos alcanzar rápidamente la cifra del 15% sintetizando capas de CZTS de excelente calidad y encontrando capas de amortiguación adecuadas.

La pirita es otro posible absorbente y puede sintetizarse a temperaturas muy bajas. Nuestro laboratorio ha sintetizado películas finas de pirita y estamos en el proceso de colocar estas películas en capas en células solares. Proceso difícil, porque la pirita, cuando se expone al calor y la humedad, se degrada fácilmente.

Buscamos formas de hacerlo más estable sin reducir su capacidad de absorción solar ni sus propiedades mecánicas. Si podemos resolver este problema, el “oro explosivo” puede convertirse en un dispositivo fotovoltaico inteligente.

En un estudio reciente, investigadores de las universidades de Stanford y Berkeley estimaron que la energía solar podría, para 2050, proporcionar hasta el 45% de la electricidad en los Estados Unidos. Para lograr este objetivo, debemos continuar reduciendo el costo de la energía solar y descubrir cómo hacer que las celdas fotovoltaicas sean más sostenibles. Creemos que los materiales abundantes y no tóxicos son los componentes básicos que llevarán la energía solar a su máximo potencial.

¿Cuál es el proceso de fabricación de una celda fotovoltaica?

Aquí está el proceso de fabricación de las celdas fotovoltaicas y las tecnologías fotovoltaicas del futuro. ¡Hay movimiento!

El material de silicio cristalino utilizado hoy en día representa alrededor del 85% del mercado de materiales utilizados en la fabricación de paneles.

Para la fabricación de este tipo de celdas fotovoltaicas se utilizan cristales de silicio en forma monocristalina o policristalina. Los procesos de fabricación de estas células fotovoltaicas son similares. Sin embargo, los procesos para la obtención de los materiales base (silicio monocristalino o policristalino) son diferentes.

Celdas fotovoltaicas monocristalinas

Las primeras innovaciones en energía fotovoltaica, las células monocristalinas (Wafer) son la primera generación de células solares (pequeños paréntesis, estas células se encuentran a menudo en calculadoras). La tecnología monocristalina se basa en barras de silicio puro . Es la tecnología más cara, porque el silicio monocristalino es una materia prima de muy alta pureza. De hecho, una oblea de silicio monocristalino se compone de un solo grano.

El silicio monocristalino se obtiene generalmente por tracción, que sirve para agrandar los cristales monocristalinos a una gran dimensión, según el proceso “Czochralski”, o por fusión por zonas.

Se obtienen así lingotes cilíndricos monocristalinos. Para optimizar la integración de las células en los módulos fotovoltaicos, los bordes de los lingotes se cortan con una sierra: esta operación se llama: renderizado.

La pureza de las células monocristalinas la convierten en una técnica muy eficaz (rendimiento del 15 al 18%), pero su elevado coste de producción reduce en gran medida su rentabilidad y por tanto su distribución en el mercado (menos del 40% de cuota de mercado).

Puede reconocer una célula monocristalina por su forma cilíndrica.

barra de silicio para celula solar

Celdas fotovoltaicas policristalinas

Aunque son menos eficientes (14 a 15% de rendimiento), tienen una mayor participación de mercado gracias a su menor costo de producción. Las células policristalinas están hechas de un bloque de silicio formado por múltiples cristales.

El silicio policristalino se obtiene volviendo a fundir los residuos de silicio monocristalino de las operaciones de transformación. Las “caídas” se colocan en un crisol llevado a 1430 ° C. Después de la fase de fusión, se enfría el fondo del crisol.

La solidificación se orienta de abajo hacia arriba para darle una estructura de columna policristalina de grano grueso. A continuación, el lingote obtenido se corta en ladrillos, generalmente de 101,5 x 101,5 mm o 120 x 120 mm, que luego se ensamblan en los módulos.——

clases de celulas solares

De izquierda a derecha :célula monocristalina, policristalina y de película fina

Los avances tecnológicos recientes permiten la producción de células de película fina policristalina para ahorrar silicio. Estas células tienen un espesor del orden de unos pocos micrómetros de espesor.

Tecnologías prometedoras

Los avances tecnológicos son rápidos. Además, no solo siguen un curso continuo, hay muchas innovaciones disruptivas que están en proceso para realmente poner en marcha el rendimiento todavía bastante bajo de la tecnología fotovoltaica y convertirla en una fuente de energía indispensable en nuestro mundo. mezcla energética del mañana.

Las celdas fotovoltaicas orgánica o polímero

Las células poliméricas, u orgánicas , están compuestas por polímeros semiconductores, y tienen el mismo proceso de producción de electricidad que otras células fotovoltaicas, pero consisten en sustituir minerales por semiconductores orgánicos , es decir a base de plástico. Esto tiene muchas ventajas, pero también ciertas desventajas que retrasan su comercialización durante algunos años.

Las ventajas de las células fotovoltaicas orgánicas:

  • Mejores propiedades de absorción
  • Son fáciles de instalar
  • Son baratos
  • Son menos frágiles gracias a una mayor flexibilidad
  • Pueden ser a base de tinta, sobre paneles impresos (una técnica innovadora todavía en fase de I + D).

Sin embargo, aún quedan dos problemas por resolver para poder lanzar realmente la comercialización de estos paneles flexibles. Primero, estas células tienen una vida útil corta debido a la degradación de los polímeros cuando se exponen al sol. Además, su rentabilidad es siempre baja , inferior al 5%.

Aquí hay un ejemplo de una celda fotovoltaica orgánica (o flexible)

flexible

Se están realizando muchas mejoras en la tecnología orgánica, incluso en Francia. Disa Solar, una joven start-up francesa, está a la vanguardia de la I + D en paneles fotovoltaicos flexibles y está preparando activamente su lanzamiento al público general.

Células híbridas: térmicas y fotovoltaicas al mismo tiempo

Más allá de una cierta temperatura exterior (alrededor de veinte grados), cuanto más caliente hace, más disminuye la eficiencia de las celdas fotovoltaicas. De hecho, la energía se disipa en calor y la conductividad disminuye. Sin embargo, sería una pena no aprovechar el calor, energía que tanto necesitamos.

Este es el desafío al que se enfrentan muchas empresas, incluidas las nuevas empresas francesas (¡de nuevo!) Como Dual Sun. Con los paneles solares híbridos fotovoltaicos y térmicos, es posible absorber calor, recuperarlo y almacenarlo. Esto permite aprovechar el calor emitido por las células fotovoltaicas, y además optimizar el panel limitando las pérdidas ligadas al calor.

No cabe duda de que la tecnología y la eficiencia de las células seguirán evolucionando con mucha fuerza. Pero todavía no es seguro que algún día se conviertan en la principal tecnología para producir electricidad a gran escala de forma independiente. Las demás tecnologías para producir energías renovables (eólica, geotermia, biomasa, etc.) también están evolucionando.

¿Cuáles son las celdas fotovoltaicas flexibles?

Las celdas fotovoltaicas flexibles son prototipos que estám en investigación sobre las nuevas formas de células solares.

Células solares CIGS

Los investigadores del laboratorio suizo EMPA establecieron un nuevo récord de eficiencia en sus células solares CIGS .

CIGS es un acrónimo formado por las iniciales de cobre, indio, galio y selenio (en realidad un disenso), los materiales utilizados en la construcción de las celdas fotovoltaicas.

Este tipo de celda se puede fabricar en películas plásticas e incluso mediante impresión inkjet.

La menor eficiencia de las células solares CIGS -en relación a las células fotovoltaicas de silicio- se debe principalmente a la baja temperatura que se debe utilizar para que se apliquen sobre plástico.

Los investigadores suizos, que trabajan con sustratos de plástico y vidrio, lograron reducir la temperatura óptima para la deposición sin perder eficiencia.

Pinturas Solares

El nuevo proceso permitió alcanzar un récord del 18,7% en la conversión solar-eléctrica cuando las células CIGS se aplican sobre plástico.

Esto los pone prácticamente en pie de igualdad con las células solares de silicio, pero con dos ventajas sustanciales: un coste mucho menor y la flexibilidad del plástico.

Los investigadores también demostraron que el proceso es adecuado para la aplicación de células solares en metales, incluido el acero ; en este caso, la eficiencia lograda fue del 17,7%.

Esto allana el camino, por ejemplo, para la creación de “pinturas solares” para coches eléctricos , que ayudarán a cargar las baterías , así como el uso de la energía solar en multitud de aplicaciones donde la instalación de los pesados ​​paneles solares actuales no es la adecuada.

Los investigadores crearon una empresa, llamada Flisom, para mejorar la aplicación del nuevo proceso de baja temperatura mediante un sistema industrial de fabricación continua mediante impresoras rollo a rollo .

El avance se logró encapsulando los puntos cuánticos coloidales con una sola capa de átomos, lo que permite su densificación.
[Imagen: Tang et al./Nature Materials]

Célula solar de puntos cuánticos

A su vez, un grupo de investigadores canadienses, saudíes y estadounidenses crearon las celdas fotovoltaicas de puntos cuánticos más eficiente jamás fabricada hasta la fecha.

Los puntos cuánticos son semiconductores a nanoescala que capturan fotones y generan una corriente eléctrica.

Debido a su pequeño tamaño, se pueden rociar sobre superficies flexibles, incluido el plástico. Esto hace que prometan fabricar paneles solares más baratos.

El avance se logró encapsulando los puntos cuánticos coloidales ( CQD : puntos cuánticos coloidales ) con una sola capa de átomos.

Esto es importante porque aumenta la densidad de los puntos cuánticos, lo que aumenta la eficiencia del panel solar en su conjunto. Cuanto menor sea esta capa de aglomeración pasiva, mayor será la densidad obtenida.

“Descubrimos cómo encoger los materiales de pasivación al tamaño más pequeño imaginable”, dijo Ted Sargent , de la Universidad de Toronto, Canadá, que tiene una larga trayectoria en el desarrollo de este tipo de célula solar.

El rendimiento de las celdas fotovoltaicas de puntos cuánticos sigue siendo sustancialmente inferior al de las células solares de silicio.

Pero el aumento ahora obtenido en su eficiencia y la posibilidad de su aplicación por aspersión fueron suficientes para que la empresa MaRS Innovations se interesara por la tecnología para llevarla al mercado.

 

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