La evidencia actual, así como los resultados de las nuevas investigaciones, han demostrado que el mundo necesita cambiar la forma en la que se genera energía eléctrica. Ante esto, hemos visto en las últimas décadas varios esfuerzos por encontrar un tipo de energía renovable que sea funcional en todos los niveles. La energía solar es una de las grandes favoritas. Y las placas solares, con las células fotovoltaicas como componente básico, han resultado ser una potencial alternativa para aprovechar la energía del Sol y transformarla en eléctrica.

Las celdas solares pueden tener grandes beneficios, y lo mejor es que se pueden aplicar no solo con fines industriales. ¿Te interesa? ¡Conoce todo sobre las celdas fotovoltaicas!

¿Qué son las células fotovoltaicas?

Celdas solares

Las células fotovoltaicas o celdas fotovoltaicas son los dispositivos básicos que componen un panel solar. Las celdas solares se encargan de transformar, mediante el efecto fotovoltaico, la radiación de la luz solar y la energía lumínica (fotones) en eléctrica. En otras palabras, tienen la capacidad de producir electricidad cuando la luz solar recae sobre ellas. 

Estos dispositivos tienen su origen en 1839 tras los descubrimientos de Alexandre-Edmon Becquerel, un físico de origen francés. Él se dedicó a la indagación de temas referentes al espectro solar, el magnetismo, la electricidad y la óptica. De acuerdo a la historia, se cree que él fue quien construyó la primera célula fotovoltaica del mundo en el laboratorio de su padre.

Posteriormente, en 1873, Willoughby Smith describió por primera vez el «Effect of Light on Selenium during the passage of an Electric Current». Sin embargo, no fue hasta 1883 cuando se construyó la primera célula fotovoltaica de estado sólido. Para la década de los 60, ya estas celdas solares eran empleadas para la fabricación de satélites como el Vanguard I.

Generaciones de células fotovoltaicas

  • Primera generación: Poseen una eficacia teórica del 31 % y tienen un periodo de amortización de 5-7 años. Tienen una alta calidad y se pueden unir fácilmente.
  • Segunda generación: Aparecen luego de que se descubren nuevas técnicas de fabricación (la deposición química de vapor y la galvanoplastia) con mayores ventajas para satisfacer el suministro de energía y el mantenimiento de las células.
  • Tercera generación: Estas permiten eficiencias de conversión eléctrica teóricas mucho mayores. Usualmente se emplea el uso de células fotovoltaicas con multiunión.

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¿De qué están hechas las células fotovoltaicas?

Células fotovoltaicas en zonas rurales

Las células fotovoltaicas están elaboradas por una lámina de silicio monocristalino o silicio policristalino de una densidad aproximadamente de 0,3 mm. Por lo general, el silicio está cortado en pequeños trozos en forma de círculos cristalinos. Posteriormente, cada pieza pasa por un procedimiento donde se envuelve por conductores metalizados. Es común que en los paneles también se le agregue una fina base de vidrio.

La parte superior de las células fotovoltaicas tiene una naturaleza negativa y el resto de la célula posee un carácter positivo. Es importante señalar que existe otro tipo de celdas fotovoltaicas conocidas como multicapa, donde el material principal es el arseniuro de galio.

Sin embargo, en la mayoría de los casos, estas celdas solares deben estar caracterizadas por su homogeneidad, lo que hace que su elaboración sea un proceso complejo y que requiere de un alto nivel de sofisticación.

Cómo funciona una célula fotovoltaica

Uso de celdas solares

El funcionamiento de una célula fotovoltaica es a través del efecto fotoeléctrico. Es decir, se genera una diferencia de potencial entre sus contactos que provoca la circulación de los electrones a través de la carga. Por su parte, el campo eléctrico de la célula solar se origina a partir de la opuesta polarización de dos regiones, dando como resultado los siguientes fenómenos: exceso de electrones y defecto de electrones, que establecen la corriente eléctrica.

En definitiva, este hecho se puede considerar como los resultados de su capacidad de producción bruta y las pérdidas por recombinación entre electrones y fotones. En ese sentido, los fotones impactan en el material y generan pares de portadores (estos tienen una energía cinética igual o superior a la energía de valencia) y el campo eléctrico separa los portadores antes de que se puedan dar recombinaciones.

Es común que con las celdas fotovoltaicas se armen lo que se conoce como módulo fotovoltaico, es decir, varias celdas solares conectadas unas a otras que forman un campo solar. Si una celda está aislada, es poco probable que pueda generar mucha energía o que tiene usos a grandes escalas.

Rendimiento de las células fotovoltaicas

Instalación de celdas solares

Cuando se habla del rendimiento de las células fotovoltaicas se refiere a la cantidad de energía que se genera en función de la energía solar que recibe. Para calcularlo, se debe tomar en cuenta las Condiciones Estándar de Medida (STC, por sus siglas en inglés), donde un panel podría recibir una irradiación de 1000W/m2, si mantiene una temperatura de 25 ºC y una distribución espectral AM de 1.5G.

No obstante, lograr estas condiciones es prácticamente imposible. En la actualidad, los rangos de rendimiento son los siguientes:

  • Medio-bajo: Células fotovoltaicas con un rendimiento de entre 16 y 17 %.
  • Medio-alto: Con rendimientos entre 18 y 19 %.
  • Altamente eficientes: Celdas solares con rendimientos por encima del 19 %. Algunos fabricantes como SunPower con su modelo SPR-X22-370 (Ahora MAX3-400); LG Neon con las células solares LG360Q1C-A5 y Panasonic con el modelo VBHN330SJ53 tienen estos porcentajes.

Por otro lado, la potencia de las celdas fotovoltaicas también puede tener incidencias en su rendimiento. La más habitual configuración de los paneles suele ser por 60 células y 72 células. Al respecto, el rendimiento sería aproximadamente:

  • Panel solar de 250W: 14,7 %.
  • Panel solar de 280W: 16 %.
  • Celdas solares de 320W: 18,8 %.
  • Celdas solares de 370W: 18,5 %.
  • Panel solar de 410W: 20,5 %.

Tipos de células fotovoltaicas

Células fotovoltaicas en viviendas

1. Células fotovoltaicas de silicio policristalino (P-S)

Tienen la particularidad de que están elaborados con miles de cristales de silicio. Su uso data desde la década de los 80 y son bastante populares, sin embargo, el principal inconveniente es que tienen un bajo rendimiento. Como ventaja se puede mencionar que se ahorra materia prima en su elaboración y en la fase de producción se evita el desperdicio de silicio.

2. Células fotovoltaicas de silicio monocristalino (M-Si)

Su principal característica es que están conformadas por un único cristal de silicio con estructura muy uniforme. Para lograrlo, el silicio primero debe fundirse y posteriormente se enfría como un solo bloque de grandes dimensiones. El paso final es cortar el cristal en delgadas capas que dan lugar a las células. Puedes distinguirlas a simple vista por dos particularidades: sus bordes redondeados y su color oscuro.

Las células fotovoltaicas de silicio monocristalino tienen un precio más elevado que los demás, lo que quizás se deba a que durante su fabricación puede haber pérdida de silicio. No obstante, pueden tener un tiempo de vida útil de hasta 25 años y mantienen su buen rendimiento aun cuando se encuentren en zonas con baja exposición lumínica.

3. Células de silicio amorfo (a-Si)

El a-Si es la forma no cristalina del silicio, durante su transformación, produce un gas que se proyecta sobre una lámina de vidrio, metal o plástico. Es una de las tecnologías fotovoltaicas más respetuosas con el medio ambiente, pero lo malo es que tienen un muy bajo rendimiento.

En un principio se creía que el silicio amorfo iba a ser crucial para el desarrollo de las células fotovoltaicas, sin embargo, otras formas de silicio fueron dejando esta atrás hasta el punto de que hoy en día está prácticamente en desuso. Otros datos de interés sobre las células solares de silicio amorfo es que tienen un rendimiento del 5 % al 7 % y funciona incluso en los días con nubosidad.

4. Células fotovoltaicas transparentes

También se le conoce como film fotovoltaico transparente. Tienen un rendimiento bajo comprendido entre el 2 % y el 3 %. Asimismo, poseen como soporte un film de plástico y un compuesto orgánico, que permite a la superficie en cuestión absorber la radiación infrarroja.

Este tipo de células fue presentado por primera vez por la empresa francesa SunPartner Technologies, a pesar de que tiene buena integración y aplicaciones múltiples, su gran inconveniente es que son células fotovoltaicas con poca madurez tecnológica. Asimismo, se necesita experimentar más hasta obtener un rendimiento mayor.

5. Células fotovoltaicas de perovskita

Las células fotovoltaicas de perovskita se posicionan como una nueva generación de celdas solares experimentales. De hecho, si se comprueba su efectividad podrían ser esenciales para el futuro de la energía solar. Estas celdas fotovoltaicas se caracterizan por tener en su composición elementos orgánicos e inorgánicos.

Uno de los principales retos a los que se enfrentan este tipo de celdas solares se refiere a la estabilidad y contención del plomo. Pero, de lograr hacerlo en los próximos años, estaríamos hablando de celdas fotovoltaicas con una eficiencia superior al 25 % y respetuosa con el medio ambiente, debido al uso de materiales sintetizados en laboratorio.

6. Células fotovoltaicas de grafeno

Si se aplica una fina capa de recubrimiento de grafeno a las células fotovoltaicas se puede obtener energía a partir de la lluvia. Esto se debe a que las gotas de agua de la lluvia contienen sales que se pueden transformar en iones positivos y negativos. Al menos, este fue el resultado de un experimento realizado por un equipo de investigadores de la Universidad Oceánica y la Universidad Yunnan Normal.

Este descubrimiento supone un avance enorme para optimizar el rendimiento de la energía solar. De igual manera, las celdas fotovoltaicas tendrían una eficiencia de conversión de energía solar a eléctrica de hasta un 6,53 %. Ahora, este grupo de científicos busca cómo generar electricidad con bajas concentraciones de iones.

7. Célula multiunión (MJ)

Son aquellas con múltiples uniones p-n hechas de diferentes materiales semiconductores. En las pruebas de laboratorio han demostrado un rendimiento superior al 46 % bajo luz solar concentrada. Están compuestas de varias capas delgadas usando la epitaxia por haz molecular y tienen aplicaciones espaciales.

8. Células fotovoltaicas bifaciales

Este tipo de celdas solares son la última novedad en este ámbito. ¿Por qué resultan tan grandiosas? Porque las células bifaciales son sensibles a la luz en ambos lados. Estas pueden ser mejores a nivel estético, pero también tienen buen rendimiento, mayor ventilación y es apto para sitios con alto albedo.

Estas células fotovoltaicas han dado tanto de qué hablar que incluso científicos australianos han establecido un nuevo récord mundial de eficiencia del 29 % para este tipo de celdas solares. Además, prometen una mayor producción de electricidad con la misma cantidad de luz solar… ¡En la misma superficie de tierra!

El investigador principal, Kean Chern Fong de la Universidad Nacional de Australia, señaló: «Las células solares bifaciales son cada vez más importantes en el despliegue de plantas solares y se espera que tengan una cuota de mercado de más del 50 por ciento en los próximos cinco años».

Aplicaciones de las células fotovoltaicas

Celdas solares

Aplicaciones tradicionales

La aplicación de las células fotovoltaicas más tradicionales fue cuando en la década de los 90 se utilizaban estas celdas como fuente de alimentación para calculadoras, relojes y algunos juguetes. Progresivamente, esto fue evolucionando, ahora las células fotovoltaicas están siendo empleadas para generar electricidad a gran escala.

En algunos países desarrollados ya se usan como fuente de energía principal de industrias o casas. Su relativo bajo costo, ser amigable con el medioambiente y otros beneficios hace que cada día se instalen miles de células fotovoltaicas. Asimismo, algunos Gobiernos buscan financiar la producción de células fotovoltaicas con la esperanza de que pueda sustituir, o al menos disminuir, el uso de otras fuentes de energía.

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En áreas rurales

Por otro lado, las células fotovoltaicas son útiles como sistemas de iluminación en zonas remotas o de difícil acceso. Hay varios componentes que se usan en estos casos: una batería de almacenaje, un acondicionador de energía y una lámpara fluorescente de baja tensión y alta eficiencia. Es una opción perfecta para ahorrar recursos cuando el costo de emplear energía de la red es demasiado alto.

En las áreas más rurales o alejadas también tienen un impacto las células fotovoltaicas, ya que sirven para instalar sistemas de telecomunicaciones o de monitoreo. Alrededor del mundo ya hay cientos de estas instalaciones y destacan por su confiabilidad y costos relativamente bajos de operación y mantenimiento.

Más usos de las celdas fotovoltaicas

Otra de las aplicaciones de las células fotovoltaicas es para los sistemas de energía de emergencia. En caso de desastres naturales o provocados por el hombre, estas celdas solares pueden liberar la energía almacenada hasta poner en funcionamiento la electricidad.

Finalmente, las celdas fotovoltaicas servirán de apoyo para las fuentes de alimentación para satélites y los vehículos espaciales así como las fuentes de alimentación portátiles para camping y pesca. En el caso de tratamiento de aguas, estas celdas solares son viables para alimentar una luz fuerte ultravioleta utilizada para matar bacterias en el agua.

Palabras finales

Las celdas solares serán una opción bastante rentable en el futuro. De hecho, es la mejor manera hasta ahora de generar energía eléctrica sin el uso de combustibles fósiles o sin afectar en gran medida el medioambiente. La tendencia apunta a que pronto llegarán celdas fotovoltaicas con materiales mucho más novedosos y que, en definitiva, ayuden a tener una humanidad mucho más consciente. ¿Cuál es tu opinión? ¡Déjanos un comentario!

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