La energía fotovoltaica (PV) es la manera más directa de convertir la radiación solar en electricidad basándose en el efecto fotoeléctrico.

Los inicios de la energía fotovoltaica solar

La primera evidencia de la existencia del efecto fotoeléctrico la dio el físico francés Edmound Becquerel en 1839 al observar que ciertos materiales, al exponerse a la luz, desprendían pequeñas cantidades de corriente eléctrica. Media década después Willoughby Smith corroboró el descubrimiento anterior cuando observó esto mismo en sólidos.

Por otro lado, Hertz, en 1887 observó que la chispa saltaba más fácilmente entre dos esferas de diferente potencial si las superficies de dichas esferas estaban iluminadas por la luz de otra descarga. Más tade, comprobó que una lámina de zinc cargada negativamente y unida a un electroscopio perdía rápidamente su carga al ser iluminada por un arco voltaico. De todo esto Hertz dedujo que los metales emiten cargas negativas bajo la acción de la luz.

Tras varios avances, fue a principios del siglo XX cuando Einstein explicó el fenómeno basándose en los conceptos de la fotoelectricidad de los trabajos previos realizados por Max Planck.

Sin embargo, la primera célula solar no se fabricó hasta 1883, cuando Charles Fritts recubrió una muestra de selenio semiconductor con pan de oro para formar la unión.

En 1946 el ingeniero estadounidense Russel Ohl patentó lo que se considera la célula solar moderna. Aunque otros investigadores habían avanzado en su desarrollo con anterioridad: el físico sueco Sven Ason Berglund había patentado en 1914 un método que trataba de incrementar la capacidad de las células fotosensibles, mientras que en 1931 el ingeniero alemán Bruno Lange había desarrollado una fotocélula usando seleniuro de plata en lugar de óxido de cobre.

La primera célula fotovoltaica

La primera célula que fue capaz de convertir la luz del sol en energía eléctrica fue desarrollada por Chapin, Fuller y Perarson en 1954. Estas células comenzaron a ser útiles en aplicaciones aeroespaciales debido a la necesidad de proveer a los vehículos espaciales de potencia, ya que la tecnología fotovoltaica permite trabajar de manera fiable y sin mantenimiento para largos periodos. Dichas aplicaciones fueron por ejemplo la alimentación de satélites artificiales, la fotosensibilización de algunos equipos electrónicos o la alimentación de pequeñas cargas en lugares remotos o de difícil acceso.

En 1958 la primera célula solar se usó para suministrar el satélite “Vanguard” que fue puesto en órbita. Esta célula desempeñó su papel incluso mejor de lo previsto y alimentó al satélite mucho más tiempo de lo esperado. Gracias a esto, la demanda de las células solares aumentó rápidamente en los años siguientes. La consecuencia más inmediata no fue solo una mejora de los parámetros eléctricos de las células, sino también una disminución de los precios.

Las primeras células tenían una eficiencia de conversión de solo un 1 % pero ya en 1954 se había logrado incrementar la eficiencia al 6 % en condiciones normales de operación, siendo cercanas a 15 % en laboratorio. Además, se evoluciona en los procesos de fabricación y tratamiento de los materiales.

Las ventajas de la energía solar

La aplicación de los sistemas fotovoltaicos ha estado desarrollándose continuamente debido a sus múltiples beneficios. Las ventajas de la energía solar son numerosas y exponemos algunas de las más importantes.

  • Conversión directa de la radiación solar en
  • No
  • No se alcanzan altas
  • Los módulos fotovoltaicos tienen un ciclo de vida
  • La fuente de energía es el sol. Esto implica que estamos ante un fuente inagotable y sin coste de reposición.
  • Es una fuente de energía muy flexible. El rango de potencia va de microvatios a

Las aplicaciones de la energía solar en la industria

Los expertos en el campo de la industria empezaron a buscar alternativas a la escasez de petróleo y al alto precio que tenían que pagar por élDe esta forma, la energía solar fotovoltaica e presento como un buen candidato para el futuro. Estados Unidos, Europa y Asia empezaron a desarrollar la tecnología de las células solares, los sistemas y sus componentes. El precio disminuyó enormemente debido a el desarrollo de mejores células y sistemas solares, programas de demostración para la comprobación y optimización de sistemas y, finalmente, programas de apoyo al mercado para generadores conectados a la red eléctrica.

Como resultado, la producción fue aumentando a una rapidez de un 20-40 % al año, suponiendo esto una reducción en los costes. Los programas de apoyo al mercado más importantes fueron:

  • Programa de análisis y medida de los 1000 tejados
  • El programa de los 100000 tejados en
  • El programa del millón de tejados en los Estados Unidos.
  • El programa del mejor tejado
  • Introducción de programas más pequeños en Austria y

El desarrollo de los paneles fotovoltaicos

Ya en 1980 la producción de paneles fotovoltaicos alcanzó la cifra de 1500 kW anuales y en 2013 aumentó hasta los 128 GW, si bien la eficiencia aún no fue demasiado alta (14 % en módulo de células de silicio monocristalino y 13 % en módulo de células de silicio policristalino). Actualmente, las cifras han crecido de forma exponencial y a modo de ejemplo sólo en España en el mes de enero de 2022 se generó una energía de 1.503 GWh procedente de instalaciones de energía solar fotovoltaica.

Ver todo sobre los paneles fotovoltaicos

Hace tiempo, se utilizaban módulos de 36 células. Actualmente los módulos que se utilizan son mayores y disponen de 108 o más células asociadas en serie o en serie-paralelo. Cuanto mayor sea el módulo, mejor relación precio/potencia tendrá y además requerirá menos mano de obra en las labores de instalación e interconexionado.

En cuanto a la vida útil, pueden llegar a durar más de treinta años. Siempre que se cumpla con la normativa en cuanto a la homologación, aunque a partir de los 25 años sus prestaciones se reducen en un 20-25 % respecto al primer día.

Los materiales de los paneles fotovoltaicos

Los materiales utilizados suelen ser silicio, germanio y selenio, si bien las de silicio son las más comunes. Aun así, el silicio no es el material ideal para la conversión fotovoltaica, al ser un material con poca absorción de la radiación solar y, además, se necesita una capa de silicio gruesa para una absorción eficiente. Debido a los inconvenientes que poseen algunos de los materiales utilizados, las investigaciones para encontrar un material adecuado llevan siendo una prioridad desde que se comenzó a explotar esta tecnología. Los materiales prioritarios son aquellos que posee finas capas de material.

El primer material en aparecer fue el Silicio amorfo (a-Si). Tiene diferentes propiedades fundamentales que el Silicio cristalino. Sin embargo, la baja eficiencia obtenida y la degradación de luz inducida de este tipo de celdas solares hicieron que pronto pasaran a utilizarse solo en interiores. Una vez resueltos los problemas de la degradación de luz inducida, el silicio amorfo está volviendo a entrar en el mercado, llegando a tener una eficiencia de alrededor de 13 %.

Además del silicio amorfo hay otros materiales que son adecuados para las celdas solares. Algunos pertenecen a la clase de los semiconductores compuestos, como el GaAs or InP, que son de los grupos III-V de acuerdo con su posición en la tabla periódica. Otros grupos importantes son los II-VI y I-III- VI2.

La nueva tecnología se basa en los semiconductores compuestos ternarios CuInSe2, CuGaSe2 CuInS2, y su aleación Cu(InGa)(S,Se)2 (también llamada tecnología CIGS). Los primeros resultados con CuInSe2 (tecnología CIS) fueron muy prometedores y, al ser dicha tecnología tan flexible, al añadir Ga y S se ayuda a aumentar la eficiencia. Las eficiencias que se han alcanzado en los laboratorios recientemente han sido de 18,9 %. Así pues, los módulos CIS/CIGS se pueden encontrar ya en el mercado en pequeñas cantidades. Las células solares de CdTe tienen una larga tradición y se encuentra también en el mercado. Después de un largo desarrollo para alcanzar paneles solares más eficientes.

A pesar de que poseen una manufactura complicada y un alto coste, las celdas de silicio cristalino son las que dominan el sector y las que lo seguirán haciendo en un futuro inmediato. Esto se debe a que es un recurso muy abundante, tiene altas eficiencias y el impacto ambiental es pequeño.

Se pasará ahora a hablar de las células de silicio monocristalino, policristalino y amorfo, además de otras nuevas tecnologías que están aún en desarrollo. La producción de módulos en potencia de un 55 % en módulos de silicio policristalino, un 30 % de silicio monocristalino y un 5 % de silicio amorfo.

 

Leer articulo destacado:

Mantenimiento de instalaciones fotovoltaicas

 

Los tipos de células fotovoltaicas que se instalan en los paneles solares

 

Células de silicio monocristalino

Se obtienen a partir de barras cilíndricas de silicio monocristalino producidas en hornos especiales. Su eficiencia en conversión de luz solar en electricidad es superior al 12 % (la eficiencia más alta está en torno al 23 %). En este caso el silicio que compone las células de los módulos es un único cristal, por lo tanto la red cristalina es la misma para todo el material y posee pocas imperfecciones. El proceso de cristalización es complicado y costoso pero, sin embargo, es el que proporciona la mayor eficiencia de conversión de luz en energía eléctrica.

El silicio monocristalino se obtiene cuando el policristalino producido en la forma descrita, su funde y se deja solidificar de tal forma que los átomos de silicio se arreglan en una red perfecta.

 

Células fotovoltaicas de silicio policristalino

Estas celdas se obtienen a partir de bloques de silicio obtenidos por fusión de trozos de silicio puro en moldes especiales, en los cuales se enfría lentamente hasta que se solidifica. En este proceso, los átomos no se organizan formando un único cristal, sino que se forma una estructura policristalina con superficies de separación entre los cristales. Este proceso es más barato que el anterior pero los rendimientos son algo inferiores.

 

Células solares de silicio amorfo

Esta tipología de celda fotovoltaica se obtiene mediante la deposición de capas muy delgadas de silicio sobre superficies de vidrio o metal. El silicio amorfo absorbe 40 veces más luz que el silicio cristalino y es más económico, ya que las células solares de silicio amorfo son muy delgadas. Sin embargo, las eficiencias de conversión de luz solar a electricidad son menores.

 

Otras tecnologías de células fotovoltaicas que se montan en placas fotovoltaicas

Células solares orgánicas (OSC)

Están hechas de finas capas de materiales orgánicos. Hay tres tipos diferentes de celdas solares orgánicas: los materiales semiconductores orgánicos pueden estar compuestos de pequeñas moléculas (celdas solares SM) o de polímeros (celdas solares de polímeros). El tercer tipo de celdas solares orgánicas es la celda Grätzel.

Células tándem

Se fabrican con diferentes materiales semiconductores que cubren distintos rangos espectrales.

Células de concentración

Se caracterizan porque usan espejos y lentes: Este sistema usa solo radiación directa y necesita un mecanismo adicional para el seguimiento del sol. La eficiencia está en torno al 42,2 % de radiación directa.

Células MIS

Su singularidad se encuentra en que el campo eléctrico interior es producido por el cruce de una capa fina de óxido y un semiconductor.

Las variaciones en el rendimiento de la producción de energía fotovoltaica

Aunque el potencial teórico de fotovoltaica alrededor del mundo es muy alto, es difícil decir una cifra exacta de éste. De toda la radiación solar que llega a la superficie de la tierra solo una pequeñísima parte (alrededor del 0,003 %) equivale a la demanda global de electricidad actual. Comparándola con la energía eólica, que es una energía renovable presente más económica, la fotovoltaica tiene como ventaja la no limitación a ciertas localizaciones geográficas. Aun así, la cantidad de radiación sí que depende del clima y la geografía, principalmente en la latitud. Hay una diferencia en el factor de energía radiante de 2,5 entre la zona del desierto más árida y Europa Central.

Un problema en muchas localizaciones es la naturaleza intermitente de la energía solar. Como ejemplos se muestran el caso de Freiburg, en el sur de Alemania, donde hay una gran diferencia entre la fuerte radiación solar en verano y la poca radiación solar en invierno. En contraste con Alemania se tiene la ciudad de Khartoum, Sudán, con un clima desértico. Allí se encuentra la radiación solar más uniforme y escala diaria y anual.

En zonas climáticas con una radiación solar menos variable harán posible un mayor uso de la electricidad fotovoltaica, ya que la misma célula solar instalada en un área del desierto cercana al ecuador generará 2,0-2,5 veces más electricidad que en Europa. Aun así, para solucionar este problema, se espera que en el futuro los paneles fotovoltaicos se instalen en lugares desérticos y después la energía sea transportada a los consumidores de todo el mundo en forma de hidrógeno.

El principal problema en la economía de esta tecnología es el alto coste de las células solares. Sin embargo, los costes están disminuyendo constantemente a medida que va aumentando el desarrollo del mercado. En 2002 el mercado fotovoltaico mundial era de más de 500 MWp al año, correspondiendo a un valor de 1 billón de dólares. El crecimiento del mercado en la última década ha sido de entre 15-25 % al año y sería positivo si se pudiese mantener 10-50 años, ya que el coste de la electricidad fotovoltaica caería rápidamente.