Las células fotovoltaicas de los paneles solares

Las células fotovoltaicas de los paneles solares

Las células fotovoltaicas son dispositivos que convierten la luz en electricidad. La mayoría de las células fotovoltaicas se componen de dos finas capas de material semiconductor cada una de ella con diferentes características eléctricas. Esta tecnología está en continuo avance. Cada día aumenta su calidad y se reduce el coste de las células fotovoltaicas.

Las celulas fotovoltaicas de silicio se fabrican a partir de un proceso de purificación del silicio. El primer paso para la obtención del silicio pasa por la extracción y minería de la cuarcita. El proceso de reducción global se puede describir como:   Si O2 + 2C -> Si + 2CO

Mediante este proceso el silicio alcanza una pureza del 98-99%, a un coste muy bajo y se denomina silicio metálico o de grado metalúrgico. Para reducir los altos costes de fabricación del silicio microelectrónico, se han desarrollado procesos de purificación especiales. Aplicandolos se obtiene el silicio de grado solar. Se trata de un silicio casi tan puro como el grado semiconductor, pero más barato y apto para la fabricación de células solares. Los tres procesos de purificación para alcanzar el silicio solar son:

⏺ Los materiales de las células fotovoltaicas

Las células fotovoltaicas se colocan entre una capa superior de vidrio templado y una capa inferior qué puede ser de diferentes materiales por ejemplo aluminio teclas o vidrio.

✅ Silicio policristalino

El silicio fundido se colocan en bloques que contienen cristales de silicio irregulares. Se colocan en bloques de forma cuadrada. Su coste de producción es menor que las células monocristalinas pero su eficiencia también es menor se estima entre un 8 y un 12% inferior.

 ✅ Silicio amorfo

Son la primera generación de células fotovoltaicas basadas en una tecnología de película fina. Estás células no tienen una estructura cristalina. Se extienden en finas capas que se colocan sobre un material rígido o flexible. Al acumular capas ajustadas a diferentes partes del espectro solar se consiguen unas eficiencias de hasta el 6%.

Este tipo de células fotovoltaicas son más baratas que las células cristalinas ya que pueden producirse en grandes cantidades disminuyendo los costes de producción.

✅ Teluro de cadmio y diseleniuro de indio cobre

Son la segunda generación de tecnología de película fina y alcanzan eficiencias de entre el 7 y el 9% respectivamente.

⏺ Las células fotovoltaicas de silicio cristalino

Las células fotovoltaicas de silicio cristalino son las células solares más comunes que se utilizan en los paneles solares disponibles en el mercado.

Las células fotovoltaicas de silicio cristalino son las más empleadas en la fabricación de los paneles solares. Representan más del 85% de las ventas del mercado mundial de células fotovoltaicas. Tienen una eficiencia de conversión de energía de laboratorio superior al 25% para células de un solo cristal y más 20% para células multicristalinas.

Sin embargo, los módulos solares producidos industrialmente actualmente alcanzan eficiencias que van del 18% al 22% en condiciones de prueba estándar.

⏺ Beneficios de las células solares de silicio cristalino

Los beneficios de este tipo de células solares son múltiples y entre ellas cabe destacar:

✅ Madurez

Existe una cantidad considerable de información sobre la evaluación de la confiabilidad y la solidez del diseño, que es crucial para obtener capital para proyectos de implementación.

Rendimiento: una celda de silicio estándar producida industrialmente ofrece mayores eficiencias que cualquier otro dispositivo de unión simple producido en serie. Las eficiencias más altas reducen el costo de la instalación final porque se necesitan menos celdas solares para ser fabricadas e instaladas para una salida determinada.

✅ Fiabilidad

Las células de silicio cristalino alcanzan una vida útil del módulo de más de 25 años y presentan poca degradación a largo plazo.

✅ Abundancia

El silicio es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre (después del oxígeno). Esto hace que la materia prima nunca sea un aspecto limitante en su fabricación.

✅ Fabricación

Debido al aumento en la demanda de las células solares de silicio cristalino, han mejorado los procesos de fabricación de estas. La fabricación y la logística de transporte han permitido que sean accesibles a todos los lugares del planeta.

⏺ Las características de las células solares de silicio cristalino

Las células solares de silicio cristalino originales se producen a partir de silicio monocristalino (monocristalino) o silicio multicristalino.

Las células monocristalinas se producen mediante distintas técnicas. Entre ellas podemos citar: a partir de obleas de silicio pseudo-cuadradas, sustratos cortados de bolas cultivadas por el proceso Czochralski, la técnica de la zona flotante, y el crecimiento de la cinta.

Las células solares de silicio multicristalino se fabrican tradicionalmente a partir de sustratos cuadrados de silicio cortados de lingotes fundidos en crisoles de cuarzo.

⏺ La capacidad de la célula fotovoltaica

Al incidir la luz sobre la célula fotovoltaica, la energía irradiada del sol libera los electrones y facilita que fluyan de una cara a la otra. Estos electrones son capturados como energía útil y son conducidos a un circuito externo.

Los diferentes materiales base y los diferentes sistemas de dopaje permiten fabricar células con eficiencias y características distintas.

Se genera una energía en corriente continua que debe transformarse en corriente alterna si se quiere alimentar a la red. Esta transformación se realiza mediante un inversor e implica una cierta pérdida de energía.

El vatio pico es la unidad para medir la capacidad de célula fotovoltaica de convertir la luz en electricidad. Esta medida se realiza en condiciones normalizadas. Básicamente consiste en medir la energía generada por una célula fotovoltaica con una intensidad de luz de 1000 vatios por metro cuadrado.

La capacidad de la célula fotovoltaica depende tanto de su productividad como de su superficie.

Las tecnologías se superan cada día. No obstante en estos momentos las células fotovoltaicas más empleadas son las compuestas por silicio monocristalino.

Este tipo de células alcanzan una productividad del 15% de luz diurna.

⏺ El montaje de la célula fotovoltaica

Las células fotovoltaicas se colocan en módulos normalizados. Estos se colocan en el tejado mediante sistemas de sujeción seguros. Un buen montaje asegura el máximo de la capacidad de la célula fotovoltaica

La ubicación óptima es un tejado inclinado al sur. Se recomienda evitar en la medida de lo posible qué edificios y árboles cercanos no proyecten demasiada sombra sobre las células.

El ángulo de inclinación óptimo depende de la latitud por lo que es diferente dependiendo del lugar donde se instale el módulo fotovoltaico.

Una recomendación en el montaje de las células es cubrirlas por una lona hasta que estén acabadas todas las conexiones. El motivo es que al estar conectadas pueden producir una cantidad considerable de corriente y producir accidentes indeseados.

⏺ El rendimiento de una célula fotovoltaica monocristalina

La célula fotovoltaica monocristalina presenta un rendimiento energético qué varía con el nivel de insolación de forma casi lineal.

Este rendimiento se ve negativamente afectado con altas temperaturas dónde se puede llegar a una caída de la eficiencia desde el 12 a 20 grados hasta caídas del 10% a 50 grados.

Para corregir esta circunstancia se deben colocar sistemas de enfriamiento. En lugares ventosos un sistema eficiente y económico es la adecuada aireación de los paneles.

⏺ Los efectos de las células solares de silicio cristalino

Para reducir la cantidad de luz reflejada por la célula solar se deposita un recubrimiento antirreflectante (ARC), a menudo dióxido de titanio (TiO 2 ) o nitruro de silicio (SiN), sobre la superficie del silicio. En este aspecto, no se usa para generar corriente

Para aumentar la captura y absorción de luz, la parte superior de la célula solar puede ser texturizada con estructuras piramidales de tamaño micrométrico, formadas por un proceso de grabado químico.

Existen diversos tipos no obstante las más comunes presentan las dos capas de silicio pero tienen diferentes cantidades de impurezas de tipo P y de tipo N. La colocación de las impurezas se denomina comúnmente dopaje.

El resultado del dopaje es una capa extraordinaria de silicio con una carga negativa tipo N y un excedente de electrones simultáneamente la otra capa tiene carga positiva tipo P y un déficit de electrones.

Esta circunstancia hace que entre estas dos capas se genere un campo eléctrico.

Para crear una unión pn, típicamente se crea una región n + dopada con fósforo sobre un sustrato de silicio tipo p dopado con boro. Un electrodo de metal, como el aluminio, forma el contacto posterior. Mientras que el contacto frontal, generalmente, se forma utilizando pasta de plata serigrafiada aplicada en la parte superior de la capa ARC.

La recolección de portadores de carga en una célula solar de silicio cristalino se logra mediante la difusión de portadores minoritarios dentro de las capas dopadas y no dopadas. Longitudes de difusión largas (> 200 micrómetros) ayudan a la recolección de portadores en todo el rango del grosor de la célula solar donde se produce la absorción óptica.