El término fotovoltaico fue descubierto por Alexandre Edmond Becquerel en 1839. La energía solar fotovoltaica es la electricidad producida por la transformación de una parte de la radiación solar a través de una célula fotovoltaica. Un fotón de luz incidente puede en determinadas circunstancias, poner en movimiento un electrón, produciendo así corriente eléctrica.
Las placas solares fotovoltaicas están fabricadas con materiales semiconductores, principalmente de silicio. Estos materiales emiten electrones cuando son sometidos a la acción de la luz, estos son expulsados del material y circulando en un circuito cerrado, produciendo electricidad.
La energía solar es, a escala humana, inagotable y está disponible en grandes cantidades.
Este proceso no requiere ningún ciclo termodinámico intermedio, es decir, la radiación se convierte directamente en electricidad sin uso intermedio de calor (a diferencia de la energía solar termodinámica).
Funcionamiento científico
1) Principio de funcionamiento de una célula fotovoltaica
Las células fotovoltaicas utilizan el efecto fotoeléctrico para producir corriente continua mediante la absorción de la radiación solar. Este efecto permite a las células convertir la energía luminosa de los fotones directamente en electricidad a través de un material semiconductor que transporta cargas eléctricas.
Una célula fotovoltaica está compuesta por dos tipos de materiales semiconductores, uno con exceso de electrones y otro con déficit de electrones. Estas dos tipos se denominan dopadas o semiconductores de tipo n y de tipo p. El dopaje de los cristales de silicio consiste en añadir otros átomos para mejorar la conductividad del material.
Un átomo de silicio tiene 4 electrones periféricos, una de las capas de la célula está dopada con átomos de fósforo, que tienen 5 electrones (1 más que el silicio). Esto se conoce como dopaje de tipo n, ya que los electrones (con carga negativa) están en exceso.
La otra capa está dopada con átomos de boro que tienen 3 electrones (1 menos que el silicio). Esto se denomina dopaje de tipo p por el déficit de electrones que se crea. Cuando el primero se pone en contacto con el segundo, los electrones sobrantes del dopaje de tipo n se difunden hacia el dopaje tipo p.
Al cruzar la célula fotovoltaica, los fotones arrancan electrones de los átomos de silicio de las dos capas n y p. Los electrones liberados se mueven en todas las direcciones, tras abandonar la capa p, los electrones siguen un circuito de vuelta a la capa n, este movimiento de electrones no es otra cosa que la electricidad.
Tecnologías tradicionales
- Energía solar fotovoltaica no concentrada: Las tecnologías basadas en el silicio representan más del 90% del mercado fotovoltaico mundial.
- Células monocristalinas: Las células monocristalinas son la primera generación de células solares, se fabrican a partir de un bloque de silicio cristalizado en una sola pieza. Tienen un buen rendimiento, pero el método de producción es laborioso y caro. Es la célula que se utiliza en las calculadoras y en los llamados «relojes solares».
- Células policristalinas: Las células policristalinas están fabricadas de un bloque de silicio compuesto por múltiples cristales. Tienen un rendimiento inferior al de las células monocristalinas, pero su coste de producción es menor.
- Los avances tecnológicos han permitido producir células policristalinas de capa fina para ahorrar silicio, estas células tienen unos pocos micrómetros de espesor.
En los últimos 10 años, el rendimiento de una placa solar ha pasado del 12% al 17% y en la actualidad se supera el 20% en la mayoría.
Tecnologías prometedoras
Energía solar fotovoltaica concentrada
Los cristales concentran los rayos del sol en una pequeña célula solar fotovoltaica de gran eficacia, gracias a esta tecnología de concentración, los materiales semiconductores pueden ser sustituidos por sistemas ópticos menos costosos. Con la misma potencia, esto significa que se utiliza 1.000 veces menos material fotovoltaico que en los paneles solares fotovoltaicos de luz solar directa.
La eficacia máxima teórica de la conversión fotón-electrón es de aproximadamente el 85% y la máxima eficacia experimental obtenida con esta tecnología es actualmente del 46%.
Componentes orgánicos (polímeros)
El uso de materiales poliméricos pretende sustituir los materiales minerales por semiconductores orgánicos, es decir, plásticos, para la fabricación de células fotovoltaicas, son baratos, tienen buenas propiedades de absorción y son fáciles de almacenar.
A su bajo coste se unen unas características especialmente atractivas: son más ligeras, menos frágiles y su naturaleza flexible permite fabricar materiales flexibles de polímeros orgánicos o silicona e incluso tintas fotovoltaicas.
Con una vida útil corta, actualmente sólo ofrecen rendimientos ligeramente superiores al 10% pero podrían servir de base para el desarrollo de un sector industrial o agrícola.
Células híbridas: térmicas y fotovoltaicas
El rendimiento de las células solares fotovoltaicas disminuye a medida que aumenta la temperatura de los paneles solares. Algunos centros de investigación han ideado la recuperación del calor captado y liberado por las células fotovoltaicas para optimizar simultáneamente el rendimiento eléctrico y obtener una fuente de calefacción. Así, están desarrollando colectores solares híbridos que combinan la energía fotovoltaica y la térmica.
Ventajas de los paneles solares
- La energía solar es, a escala humana, inagotable y está disponible en grandes cantidades. Además, durante la fase de explotación, la producción de electricidad mediante paneles fotovoltaicos no es contaminante.
- El silicio, el material utilizado en los paneles solares más comunes hoy en día y no es tóxico.
- Los paneles solares tienen una vida útil entre 25 y 35 años y son casi completamente reciclables.
- La modularidad de los paneles solares es importante, es decir, es posible diseñar instalaciones de diversos tamaños en una amplia gama de entornos. Esto las hace adecuadas para la producción descentralizada de electricidad en lugares remotos.
- Los paneles solares fotovoltaicos pueden utilizarse para fines domésticos (por ejemplo, en los tejados)
Unidades de medida y ratios de las placas solares
La potencia de una instalación fotovoltaica (expresada en Wp) es la potencia máxima (bien orientada, bien inclinada, sin sombra) que puede producir con una cantidad determinada de luz solar.
Esta unidad tiene tres usos principales:
- La comparación del rendimiento de los materiales fotovoltaicos, en las mismas condiciones.
- La calificación del tamaño de una instalación, independientemente de sus condiciones de luz solar.
- La comparando los depósitos solares y su producción de electricidad.
Según la Agencia Internacional de la Energía (AIE), los paneles fotovoltaico y termodinámico tendrán contribuciones equivalentes a la producción de energía en 2050. Alrededor del 80% de la producción mundial de panales fotovoltaicos sigue basándose en láminas de silicio cristalino. El resto utiliza películas finas depositadas sobre una superficie, una solución más económica en términos de costes de fabricación, pero con un rendimiento menor.
Placas solares en el futuro
La industria fotovoltaica se está volcando en el desarrollo de técnicas que acabarán utilizando mucho menos material o materiales menos costosos. La energía solar concentrada, la deposición de cintas, los paneles de película fina y los materiales orgánicos son las principales áreas de investigación e innovación futura.
Por último, la investigación sobre el almacenamiento de electricidad también será importante, este tema transversal de la energía es especialmente relevante para la energía solar fotovoltaica, ya que la competitividad de esta tecnología dependerá en gran medida de la capacidad de adaptar su producción para satisfacer las necesidades específicas de cada vivienda.
