Las células solares fotovoltaicas

Las células solares fotovoltaicas son dispositivos electrónicos que transforman la energía lumínica (fotones) en energía eléctrica (flujo de electrones libres) mediante el efecto fotoeléctrico. De esta forma, generan energía solar fotovoltaica.

Las células solares fotovoltaicas están compuestas de un material que presenta efecto fotoeléctrico, es decir, que absorben fotones de luz y emiten electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad.

¿Cómo funcionan las células solares fotovoltaicas?

Las células solares fotovoltaicas están formadas de cristales de silicio y estos se obtienen de arena con una pureza del 99,999 % sometida a un proceso de purificación para conseguir silicio en bruto (98% pureza).

Este silicio en bruto se convierte en una forma compuesta de silicio gaseoso, después se mezcla con hidrógeno para obtener silicio policristalino altamente purificado. El proceso se complica un poco más en caso de querer obtener silicio monocristalino, más caro de producir aunque también de mejor rendimiento.

Este silicio transformado se moldea para fabricar obleas. Estas obleas son el núcleo central de las células solares fotovoltaicas. Los átomos de silicio están unidos entre si con una estructura que no permite el movimiento libre de los electrones.

Para que los electrones se muevan unidireccionalmente, se necesita una fuerza motriz. Una forma sencilla de producir esta fuerza motriz es una unión P-N.

Si inyectamos boro con 3 electrones de valencia en el silicio puro habrá un agujero para cada átomo. A esto se le denomina dopaje tipo P. Si los dos tipos de materiales dopados se unen, algunos electrones del lado N irán a la región P y llenarán los agujeros disponibles. Así se forma una región de agotamiento, donde no hay electrones libres ni agujeros.

La migración de electrones, el lado N se carga positivamente y el lado P se carga negativamente, produce un campo eléctrico entre las cargas. Este campo eléctrico produce la fuerza motriz necesaria.

Cuando la luz incide sobre la región N, penetra hasta la región de agotamiento, donde se producen electrones y agujeros que son repelidos hacia la región N y P respectivamente gracias al campo eléctrico. La concentración de electrones en la región N y de agujeros en la región P se vuelven tan altos que se producirá una diferencia de potencial entre ellos.

Ahora si conectamos cualquier carga entre estas dos regiones, los electrones comenzarán a fluir a través de la carga, combinándose con los agujeros de la región P, produciendo electricidad.

Para aumentar el rendimiento energético de las células solares fotovoltaicas se busca una capa N muy fina y muy dopada. Por otro lado, la capa inferior P es más gruesa y está escasamente dopada. Esto logra un mayor el grosor de la región de agotamiento y, de esta forma, se produce la electricidad.

Las células solares fotovoltaicas transparentes

Un equipo de cientificos pertenecientes a la Universidad del Estado de Michigan (MSU) han desarrollado un tipo de células solares fotovoltaicas transparentes.

Este tipo de células solares fotovoltaicas pueden almacenar energía, sin afectar la transmisión de la luz.

Esta novedosa tecnología está basada en moléculas orgánicas capaces de aborver los rayos solares para ser convertidas en energía.

“Podemos sintonizar estos materiales para captar solo las longitudes de onda ultravioleta y casi infrarroja que luego “brillan” a otra longitud de onda en el infrarrojo. La luz capturada se transporta al contorno del panel, donde se convierte en electricidad con la ayuda de tiras finas de células solares fotovoltaicas”, afirmo Richard Lunt profesor y miembro del equipo de investigación de la MSU

Este material delgado es parecido al plástico. Los paneles solares basados en esta nueva tecnología, pueden ser colocados en superficies transparentes como ventanas de edificios o fachadas verticales. Se puede usar en edificios, ventanas de automóviles, teléfonos celulares u otros dispositivos con una superficie clara.

Conceptualmente, se trata de un concentrador solar luminiscente transparente, que cuando se coloca en una ventana crea energía solar sin interrumpir la vista.

Las células solares fotovoltaicas de tercera generación

Científicos de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) han desarrollado las células solares fotovoltaicas de perovskita, o PSC. Sus innovaciones han mejorado la estabilidad y la escalabilidad de estos dispositivos esenciales en la generación de energía solar.

Las células solares fotovoltaicas de tercera generación convierten eficientemente la luz solar en electricidad. Su fabricación cuesta menos energía que las células de silicio convencionales. Los investigadores destacan su bajo coste y su alta eficiencia.

Rendimientos superiores al 26%

Las células solares de tercera generación han mejorado constantemente durante las últimas décadas. Actualmente, han alcanzado un nivel de desarrollo muy alto. Sin embargo, el efecto de la recombinación se produce después de la absorción de la luz solar y la generación fotovoltaica de portadores de carga eléctrica.

En este proceso, los portadores de carga negativa y positiva se combinan y cancelan entre sí. Todo ello, antes de que puedan usarse para el flujo de electricidad solar. Este efecto se puede contrarrestar con materiales especiales que tienen una propiedad especial: la pasivación.

Malte Köhler, es científico en el Instituto Jülich de Investigación sobre Energía y Clima (IEK-5). Según Köhler, las capas nanoestructuradas ofrecen precisamente esta pasivación deseada Además, las capas ultrafinas son transparentes. Así la incidencia de la luz apenas se reduce y exhiben una alta conductividad eléctrica. Hasta ahora ningún otro enfoque combina estas tres propiedades (pasivación, transparencia, conductividad) con nuestro nuevo diseño.

Fueron necesarios varios pasos del proceso para producir las capas de la célula solar TPC. Sobre una fina capa de dióxido de silicio, los investigadores depositaron una doble capa de diminutos nanocristales de carburo de silicio en forma de pirámide. Se aplicaron a dos temperaturas diferentes. Finalmente, siguió una capa transparente de óxido de indio y estaño. Un primer prototipo de la celda solar Jülich TPC logró una alta eficiencia del 23,99 por ciento (+ – 0,29 por ciento) en el laboratorio. Este valor fue confirmado por el laboratorio independiente CalTeC del Instituto de Investigación de Energía Solar en Hamelin.

Esto significa que las células solares de tercera generación de Jülich TPC todavía están ligeramente por debajo de las mejores celdas de silicio cristalino. Las simulaciones realizadas en paralelo han demostrado que son posibles eficiencias de más del 26 por ciento con la tecnología TPC.

El material de las células solares fotovoltaicas de tercera generación

Un informe publicado el 13 de diciembre de 2018 por Advanced Functional Materials, respalda la evidencia que un material comúnmente utilizado en las células solares fotovoltaicas de perovskita, llamado dióxido de titanio, degrada los dispositivos y limita su vida útil.

Los investigadores reemplazaron este material con dióxido de estaño, un conductor más fuerte sin estas propiedades degradantes. Optimizaron su método de aplicación de dióxido de estaño para producir las células solares fotovoltaicas de perovskita estables, eficientes y escalables. El resultado fue positivo y dio lugar a la tercera generación de células solares fotovoltaicas.

células solares fotovoltaicas de tercera generación

El esquema de estas células solares fotovoltaicas

Las células solares fotovoltaicas de perovskita están fabricadas con materiales en capas. Cada capa presenta una función específica. La “capa activa”, hecha de materiales de perovskita, absorbe la luz solar entrante en forma de partículas llamadas fotones.

Cuando un fotón golpea una célula solar, genera electrones cargados negativamente y agujeros cargados positivamente en la capa activa. Se controla el flujo de estos electrones y los huecos emparedando la capa activa entre dos materiales de transporte, creando así un campo eléctrico incorporado.

Para ayudar a llevar los electrones en la dirección correcta, muchas células solares fotovoltaicas de perovskita, incluyen una capa de transporte de electrones. La mayoría de las células solares fotovoltaicas emplean dióxido de titanio como su capa de transporte de electrones. Pero cuando se expone a la luz solar, el material reacciona con la perovskita y, en última instancia, degrada el dispositivo.

El dióxido de estaño es un reemplazo viable para el dióxido de titanio, pero antes de este estudio, no se había incorporado con éxito en un dispositivo a gran escala.

La células solares fotovoltaicas de tercera generación emplean la técnica de deposición por pulverización catódica

La deposición por pulverización catódica funciona bombardeando el material objetivo. Esta técnica ha servido para  elaborar una capa de transporte de electrones efectiva a partir del dióxido de estaño.

En este caso, el dióxido de estaño, con partículas cargadas, se rocía hacia arriba sobre una superficie de espera. Al controlar con precisión el poder de la pulverización y la velocidad de la deposición, los investigadores lograron capas suaves con un grosor uniforme en un área grande.

Sus nuevas células solares fotovoltaicas de tercera generación lograron una eficiencia de más del 20 por ciento.

Para demostrar la escalabilidad de este nuevo método, los investigadores fabricaron módulos solares de 5 por 5 centímetros con un área designada de 22.8 centímetros cuadrados. Se encontraron que los dispositivos resultantes mostraron una eficiencia superior al 12 por ciento.

La cuarta generación de células solares fotovoltaicas

Los investigadores planean continuar optimizando el diseño de células solares fotovoltaicas de perovskita con el objetivo de producir módulos solares a gran escala con mayor eficiencia.

Se experimenta con dispositivos solares flexibles y transparentes. Se tiene como objetivo aplicar su diseño optimizado en ventanas solares, cortinas, mochilas y unidades de carga desplegables.

Las células solares fotovoltaicas para cargar el móvil

Según los principios de la termodinámica, es imposible que un dispositivo aproveche el 100% de la energía  Por ejemplo, los motores que funcionan mediante combustibles fósiles, su eficiencia ronda el 29% aproximadamente. Por lo tanto, no toda la energía que se puede obtener del diesel es aprovechada por los motores de combustión. Gran cantidad de energía se pierde por calor, el roce entre las piezas, gases, etc.

Esto también ocurre con las células solares para cargar el móvil, cuya eficiencia, para los modelos más comerciales está en el orden del 16% aproximadamente.

Los esfuerzos por encontrar un material que pueda aprovechar la energía proveniente del Sol aún son palpables. Uno de los ejemplos más reciente es la aplicación de la perovskita descrita en el apartado anterior.

A pesar de los esfuerzos de los científicos, la perovskita es un mineral muy escaso. Cuando un mineral es escaso, rápidamente podemos imaginar que implica que ese material es excesivamente caro.

El material más consumido para la producción de células solares fotovoltaicas es el silicio(Si). El uso del silicio es debido a que se trata de uno de los elementos semiconductores más comunes que se pueden encontrar en el planeta. Su gran abundancia conlleva que sus costes de producción sean muy bajos y su futuro muy prometedor.

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Los cargadores solares para móvil

Las empresas se han orientado en fabricar dispositivos de forma independiente, que permitan almacenar la energía solar para tenerla disponible en el momento que se requiera su uso.

Existen varias empresas que promueven el uso de cargadores solares como dispositivos en caso de emergencia pues al estar lejos de la civilización no tendrás acceso a una toma de corriente.

Los diseños de los cargadores solares en el mercado actual son tan variados como los estilos de los teléfonos móviles que se utilizan a diario en todo el mundo.

A pesar de esto la energía solar aún es muy joven para ofrecer a los usuarios de los smartphones un dispositivo de carga eficiente que pueda mantener sus móviles con la suficiente carga para evitar recurrir al uso de los cargadores convencionales de pared.

Algunos fabricantes han optado por crear paneles solares del tamaño de un móvil y añadirles una batería para almacenar la carga que estos puedan generar a través del Sol. Estos dispositivos están aumentando su calidad y suponen una solución suficiente para resolver las necesidades diarias más habituales.

La evolución de las células solares para cargar el móvil

Samsung fue oficialmente el primer fabricante en lanzar al mercado un teléfono alimentado por energía solar en 2009. El móvil fue lanzado en la India para abordar el problema de los apagones regulares.  El rendimiento de las células solares para cargar el móvil permitían un uso del teléfono escaso. Entre cinco y diez minutos de conversación por una hora de carga de energía solar .

Otra gran impulso fue promovido por Kyocera en compañía de Sunpartner Technologies. Ambas empresas desarrollaron láminas translúcidas impregnadas con células solares. Al ser transparente, la lámina se puede instalar entre la pantalla LCD y la pantalla táctil del teléfono. Esto permitía la recargar simultáneamente al uso del teléfono. Esto fue muy innovador y creó una ventaja competitiva, pero el rendimiento insuficiente hizo que no se consolidara.

 Las primeras células solares que se insertaban en los móviles se colocaban en la parte posterior. Esto implicaba que el dispositivo tenía que estar boca abajo para obtener una carga y que las células solares para cargar el móvil, podían dañarse fácilmente.

A pesar de este progreso técnico, los teléfonos que tienen integrados en su hardware células solares se enfrentan a una limitación. La tecnología fotovoltaica actual no tiene una cantidad de potencia suficiente para satisfacer las necesidades de energía que los smartphone actuales demandan actualmente.

Me interesan los paneles solares

Curso de postgrado en gestión ambiental