El sol está lleno de energía y su luz y calor son los que permiten la existencia de la vida en la Tierra. Las plantas están perfectamente adaptadas para aprovechar la energía del sol, utilizando la fotosíntesis para poder crecer. Por desgracia para nosotros, no podemos utilizar la energía luminosa del sol tal y como está, así que hemos ideado formas de convertir los rayos solares en electricidad. Las células solares, también llamadas fotovoltaicas, absorben los fotones del sol y utilizan sus rayos para generar
electricidad. Como funcionan los paneles solares?
¿Quieres saber cómo funcionan los paneles solares en una casa? Acá te hablaremos de los complejos procesos que permiten a las células solares darle energía a tu hogar.
Como funcionan los paneles solares? Generación de electricidad
La luz está hecha de fotones, tanto si procede del sol como de una bombilla. Las células solares utilizan estos fotones para generar electricidad. Al igual que las baterías, las células solares tienen un lado positivo y otro negativo. Cuando los fotones del sol inciden en la superficie de la célula solar, la energía del fotón hace que se liberen los electrones dentro de la red cristalina del material semiconductor.
Los electrones fluyen entonces desde el lado negativo al positivo, lo que crea una corriente eléctrica. Los circuitos metálicos, que son las rejillas metálicas del panel solar, recogen la corriente eléctrica y la conducen hasta la casa. Las células solares generan corriente continua, por lo que es necesario un inversor para convertir la electricidad en corriente alterna antes de poder utilizarla en el hogar. Una sola célula solar produce unos pocos vatios de potencia, pero esa potencia se multiplica cuando se combinan varias células en un panel solar.
Gran parte de la energía solar es reflejada por el vidrio y los fotones de menor energía atraviesan los módulos fotovoltaicos, por lo que solo una parte de los rayos solares puede convertirse en electricidad. Además, está la brecha de bandas, que representa el valor energético por encima del cual un fotón puede excitar un electrón y crear una corriente. La respuesta fotovoltaica de la célula solar se limita a los fotones que tienen suficiente energía para caer por encima de la brecha de bandas del material semiconductor. Los materiales tienen diferentes valores de brecha de banda. Por estas limitaciones, la mayoría de los paneles solares tienen una eficiencia de entre el 15 y el 25 por ciento.
Las rejillas metálicas de las células solares conducen la corriente eléctrica creada por el semiconductor.
Fuente: Wikimedia/Lamiot
Al colocar revestimientos antirreflectantes en el vidrio, los fabricantes de paneles solares han logrado reducir el número de fotones reflejados, lo que permite que lleguen más rayos solares al módulo. Las células solares de unión múltiple combinan distintos materiales con diferentes valores de brecha de banda para capturar fotones en una gama más amplia de niveles de energía, por lo que se encuentran entre las de mayor rendimiento (hasta el 40 por ciento de eficiencia).
El efecto fotoeléctrico
Las células solares son una realidad gracias al efecto fotoeléctrico. El efecto fotoeléctrico se produce cuando un material crea una carga eléctrica tras ser expuesto a determinadas frecuencias de luz. Aunque cualquier material puede manifestar el efecto fotoeléctrico, es más frecuente verlo en conductores y semiconductores como los metales y los silicatos.
El efecto fotoeléctrico fue observado por primera vez en 1839 por el físico francés Alexandre-Edmond Becquerel. Unos 100 años después, Albert Einstein descubrió que solo determinadas frecuencias de luz activan el efecto fotoeléctrico, demostrando la existencia de los fotones. Este trabajo le valió un Premio Nobel en 1921.
Composición de las células solares
Las células solares requieren materiales especializados para poder funcionar. Utilizan semiconductores especiales que demuestran el efecto fotoeléctrico en un valor de brecha de banda que coincide con la energía de los fotones del sol. Se utilizan diferentes semiconductores para explotar la energía del sol, aunque las células solares de silicio son las más comunes.
El semiconductor de silicio está revestido de un circuito que conduce la corriente eléctrica y, a su vez, está protegido por un marco de metal y plástico y un laminado de vidrio que permite el paso de los rayos del sol.
Las células solares suelen identificarse por el material semiconductor utilizado en su fabricación. Hay dos tipos principales de células solares: las de silicio cristalino y las de capa fina. Las células solares de silicio cristalino tienen una mayor eficiencia y duran más, mientras que las de capa fina compensan la poca eficiencia con su flexibilidad, además de ser paneles solares más portátiles.
Las células solares están combinadas en un módulo fotovoltaico, que a su vez está combinado en un sistema fotovoltaico.
Fuente: Wikimedia/Rfassbind
Tipos de células solares
Silicio cristalino
El silicio cristalino (a veces escrito como c-Si) es, con mucho, el material semiconductor predominante, representando más del 70 % del mercado fotovoltaico. A menudo se les llama células solares de primera generación, por ser el primer tipo de célula fotovoltaica. Estas células solares siguen siendo las que ofrecen la mayor eficiencia al menor coste, superando a las células de capa fina. Aunque las obleas de c-Si tienen una gran pureza, suelen estar mezcladas con otros elementos, como el fósforo o el boro, para aumentar la conductividad eléctrica. Las obleas de silicio son de dos tipos: monocristalinas (mono-Si) y multicristalinas (multi-Si).
Silicio monocristalino
Las células solares monocristalinas son las más eficientes, aunque son más costosas. Las obleas monocristalinas están formadas por una gran capa de silicio rebanada en finas obleas. La estructura cristalina uniforme confiere a los paneles mono-Si más conductividad y, por tanto, más eficiencia. Las células solares mono-Si son de aspecto oscuro y uniforme.
Silicio multicristalino
Las células solares multi-Si están formadas por cristales de silicio triturados y fundidos. Son más baratas que las mono-Si, aunque son menos eficientes porque la estructura de vidrio no es uniforme. También tienen una vida útil menor. Estas son fácilmente reconocidas por su aspecto de “escamas azules”, creado por los diferentes cristales fusionados.
Mono-Si solar cells on an experimental solar-powered vehicle.
Source: Wikimedia/Jakob Härter
Células solares de capa fina
Mientras que las células solares c-Si están montadas dentro de un marco de metal y vidrio, las células solares de capa fina tienen una delgada película de material semiconductor impresa en plástico o vidrio. Esto hace que las células solares de capa fina sean ligeras, flexibles y versátiles, aunque carecen de eficiencia y durabilidad en comparación con las c-Si.
Al ser impresas en vidrio, las células solares de capa fina pueden ser de doble cara, de modo que el semiconductor pueda absorber los rayos solares por ambos lados. Aunque los paneles solares de capa fina solo representan entre el 15 y el 20 por ciento del mercado fotovoltaico mundial, poco a poco se van haciendo más eficientes y deseables para las actividades a gran escala.
Silicio amorfo
La mayoría de las células solares de capa fina son de silicio amorfo (a-Si). Son el tipo de célula de capa fina más respetuoso con el medio ambiente, ya que carecen de materiales peligrosos. Las células solares de silicio amorfo absorben una amplia gama de luz, con un rango funcional que se extiende fuera del espectro visible, absorbiendo también los infrarrojos y ultravioletas.
Esto hace que la célula solar sea increíblemente eficiente a la hora de generar energía en situaciones de poca luz, como las madrugadas o las noches, así como con tiempo nublado. Esto contrasta con los paneles de silicio cristalino, que funcionan mal con luz tenue, aunque a veces experimentan una gran caída de eficiencia dentro de los primeros seis meses de funcionamiento.
Telururo de cadmio
Las células solares de telururo de cadmio (CdTe) son baratas y eficientes, llegando a competir con las células de silicio múltiple en cuanto a eficiencia, ya que tienen una eficiencia de alrededor del 18 %. La tecnología CdTe es la de menor impacto ecológico en cuanto a tecnologías fotovoltaicas, además de tener el menor tiempo de retorno energético.
Sin embargo, el telurio es extremadamente raro en la corteza terrestre, siendo su cantidad a menudo comparada con la del platino. Existen numerosos programas de reciclaje para las células solares de CdTe en un esfuerzo por preservar tanto el medio ambiente como los materiales raros.
Paneles solares de CdTe en el Centro Nacional de Tecnología Eólica en los Estados Unidos.
Fuente: Wikimedia/Dennis Schroeder
CIGS
Las células solares de seleniuro de cobre, indio y galio, o CIGS por sus siglas en inglés, tienen una eficiencia sorprendentemente alta para ser células solares de capa fina, con eficiencias de hasta el 20 %. Gracias a su elevado coeficiente de absorción, utilizan una película más delgada de material semiconductor que otras células solares. Las CIGS superan a los polisilicatos a nivel molecular, pero las investigaciones se centran en trasladar ese rendimiento a una escala mayor. Las CIGS no son tan populares como otras células solares de capa fina e incluso muchas empresas que han intentado producirlas comercialmente han quebrado.
GaAs
El arseniuro de galio (GaAs) se utiliza a veces como semiconductor para las células solares de capa fina. Es muy caro pero de gran eficacia. Se reserva para actividades experimentales y de alta tecnología. Las células solares de GaAs tienen la mayor eficiencia de todas las células solares de una sola unión, con una eficiencia máxima registrada del 28,8 %. Suele utilizarse en la fabricación de células solares de unión múltiple.
Células solares de unión múltiple y concentradores fotovoltaicos
Las células solares de unión múltiple son células solares de alta eficiencia que utilizan más de un material semiconductor para absorber una gama más amplia de longitudes de onda. Estas células solares de alta eficiencia han alcanzado eficiencias de entre el 35 y el 45 por ciento. Pueden combinar c-Si con otros semiconductores, normalmente GaAs. Los elementos se apilan unos sobre otros. Las células solares de unión múltiple suelen ir acompañadas de tecnología de concentración, que utiliza espejos curvos o lentes para enfocar la luz solar hacia las células solares.
Las células solares de unión múltiple se utilizan en las naves espaciales.
Fuente: Wikimedia/NASA
¿Qué es el efecto fotoeléctrico?
Es el concepto de que ciertos materiales producen una carga eléctrica después de ser expuestos a ciertas longitudes de onda de la luz. Los semiconductores utilizados en las células solares presentan este efecto cuando se exponen a una energía que coincide aproximadamente con las longitudes de onda de los rayos solares.
¿Cuáles son los diferentes tipos de células o celdas solares?
Las células solares cristalinas son el tipo más común en el mercado, utilizan obleas de silicio recubiertas de vidrio para absorber los rayos solares. Son el diseño de célula solar más rentable y eficiente.
Los paneles solares de capa fina utilizan un material semiconductor delgado impreso en plástico o vidrio. Son más baratas de producir, pero no son tan eficientes. Son muy flexibles, lo que permite la fabricación de paneles solares portátiles y versátiles.
Las células solares de unión múltiple se utilizan en actividades de alta tecnología, como en la Estación Espacial Internacional. Combinan diferentes semiconductores para captar una gama más amplia de recursos solares, lo que las hace muy eficientes.
¿Cómo generan energía los paneles solares?
Las células solares absorben la energía del sol y la convierten en energía eléctrica. Cuando los fotones del sol llegan a la superficie del material semiconductor, se liberan electrones que generan una corriente eléctrica. Los circuitos de las células solares conducen la energía fuera de la célula solar.
¿De qué están hechas las células solares?
Las células solares están hechas de plástico, vidrio, metal y, sobre todo, de un semiconductor. El semiconductor es lo que absorbe la energía de la luz. El semiconductor se coloca dentro de un marco de metal o de plástico, cubierto luego con vidrio para formar la célula.