La célula fotovoltaica

En este artículo trataré de explicarte de una manera sencilla, que es una célula fotovoltaica,, cómo se fabrican, sus principios, cómo funcionan y sus parámetros , eso si sin entrar en tecnicismos, que te confundan aun mas. Como veras los principios físicos de una célula fotovoltaica son muy básicos .

Hagamos un poco de historia. La primera célula fotovoltaica del mundo la construyo Edmond Becquerel, en 1839 cuando tenía tan solo 19 años; en esos tiempos no era común que genios precoces hicieran sus grandes creaciones en un garaje, como hoy en día, pero Edmond desarrollo su invento en el laboratorio de su padre, como ves las circunstancias no cambian mucho en el tiempo. Desde entonces a evolucionado el conocimiento de los materiales y la tecnología para su manipulación hasta lograr hoy en día una célula fotovoltaica súper eficiente y a precios asequibles para todo el mundo.

La célula fotovoltaica se hizo popular después de ser parte importante del satélite artificial Vanguard I en 1958, y su posterior incorporación en satélites más avanzados, durante la década de los 60.

Bueno ya basta de historias y vamos al grano:

Qué es una célula fotovoltaica

La célula fotovoltaica básicamente es un dispositivo que convierte la energía solar en electricidad, este proceso, llamado efecto fotoeléctrico, se lleva acabo cuando la radiación solar incide sobre el material semiconductor de dos capas, del cual esta compuesto la célula.

El material semiconductor del cual esta compuesta la célula fotovoltaica es el silicio, se utiliza este semiconductor gracias a la abundancia que existe y a el bajo precio que implica su optimización, para la conversión de la energía solar en electricidad.

Generalmente la células fotovoltaicas que se comercializan hoy en día tienen un espesor entre 0,25 y 0,35 mm y esta constituidas por silicio mono o policristalino, dependiendo de su pureza, tienen normalmente forma cuadrada y achatada en sus vértices, con un área entre 100 y 225 m². Con unas condiciones especiales ( una radiación de 1 Kw / m² a una temperatura de 25º C) estos dispositivos pueden producir una corriente comprendida entre 3 y 4 A (amperios), una tensión de 0,5 V (voltios) y una potencia de 1,5 a 2 Wp (watios punto); Como podrás observar esta producción es muy poca pero agrupando varias de ellas, podemos aumentar estos valores. Conformando así las las placas solares fotovoltaicas.

Cada día se experimenta con nuevos materiales para aumentar la eficiencia de la célula fotovoltaica, a esta eficiencia normalmente se le conoce como eficiencia de conversión, que es el porcentaje de energía contenida en la radiación solar que incide en la célula transformada en energía eléctrica. Actualmente encontramos en el mercado células de silicio con una eficiencia de conversión entre el 13% y el 17%, también se han desarrollado placas solares mas eficientes, llegándose a alcanzar en experimentos en laboratorio hasta un 35% gracias a la nanotecnología.

Cómo funciona una célula fotovoltaica

Como te explicaba anteriormente una célula fotovoltaica moderna esta compuesta por un material semiconductor, el cual posee unas propiedades electrónicas especificas. El material semiconductor utilizado es el silicio el cual al ser expuesto a la radiación solar absorbe fotones de luz con suficiente energía como para originar el “salto de electrones”, desplazándolos de su posición original hacia la superficie iluminada. Al desprenderse estos electrones con su carga negativa (n) origina la aparición de huecos o lagunas los cuales reciben un nombre especial debido a que se comportan como si se tratase de partículas con cargas positivas Debes saber ademas que en un semiconductor como el que te estoy explicando, el número de electrones es igual al de huecos.

Siendo más precisos cuando un electrón gana suficiente energía (proporcionada por la radiación solar) se libera del átomo al que estaba ligado, creando a su vez un hueco, es entonces cuando se dice que se ha generado un par electrón-hueco (par eh).

Para conseguir la extracción de corriente es necesario fabricar una unión pn que consiste en fabricar un semiconductor en el que una zona sea de tipo n y la otra de tipo. Esta fabricación no consiste en pegar un semiconductor p a uno n sino que debe hacerse de manera que la red cristalina no se interrumpa al pasar de una región a otra. Es necesario entonces, el empleo de tecnologías especiales.

La existencia de la unión pn hace posible la aparición de un campo eléctrico en la célula fotovoltaica (con dirección de n a p) que separa los pares eh: los huecos, cargas positivas, los dirige hacia el contacto del lado p lo que provoca la extracción de un electrón desde el metal que constituye el contacto; los electrones, cargas negativas,los dirige hacia el contacto del lado n inyectándolos en el metal. Esto hace posible el mantenimiento de una corriente eléctrica por el circuito exterior y consecuentemente el funcionamiento de la célula como generador fotovoltaico.

Fabricación de una célula fotovoltaica

Las fabricación de una célula fotovoltaica empieza con la elaboración de planchas (wafers) monocristalinas, planchas policristalinas o láminas delgadas. Las planchas monocristalinas (de aproximadamente 0,30 a 0,50 milímetros espesor) se cortan de un gran lingote mono cristalino que se ha desarrollado a aproximadamente 1400°C, este es un proceso muy costoso. El silicio debe ser de una pureza muy elevada y tener una estructura cristalina casi perfecta.

Las planchas policristalinas son realizadas por un proceso de moldeo en el cual el silicio fundido es vertido en un molde y se lo deja asentar. Entonces se rebana en planchas. Como las planchas policristalinas son hechas por moldeo son apreciablemente más baratas de producir, pero no tan eficiente como las célula mono cristalina. El rendimiento más bajo es debido a las imperfecciones en la estructura cristalina, resultado del proceso de moldeo. Se podría explicar como una agrupación de muchos cristales de silicio que dan un aspecto no uniforme a la superficie.

En los dos procesos anteriormente mencionados, casi la mitad del silicio se pierde como polvo durante el cortado.

El silicio amorfo, una de las tecnologías de lámina delgada, es creado depositando silicio sobre un substrato de vidrio de un gas reactivo tal como silano (SiH4). El silicio amorfo es una de grupo de tecnologías de lámina delgada. Este tipo de célula solar se puede aplicar como película a substratos del bajo costo tales como cristal o plástico. Otras tecnologías de lámina delgada incluyen lámina delgada de silicio multicristalino, las células de seleniuro de cobre e indio/sulfuro de cadmio, las células de teluro de cadmio/sulfuro del cadmio y las células del arseniuro de galio.

Las células fotovoltaicas de lámina delgada tienen muchas ventajas incluyendo una deposición y un ensamblado más fácil, la capacidad de ser depositadas en substratos o materiales de construcción baratos, la facilidad de la producción en masa, y la gran conveniencia para aplicaciones grandes.

En la producción de una célula fotovoltaica al silicio se le introducen átomos de impurezas (dopado) para crear una región tipo p y una región tipo n de modo de producir una unión p-n. El dopado se puede hacer por difusión a alta temperatura, donde las planchas se colocan en un horno con el dopante introducido en forma de vapor. Hay muchos otros métodos de dopar el silicio. En la fabricación de algunos dispositivos de lámina delgada la ntroducción de dopantes puede ocurrir durante la deposición de las láminas o de las capas.

Parámetros de una célula fotovoltaica

Generalmente en las hojas de características de los módulos fotovoltaicos suelen aparecer unos datos eléctricos que vienen a determinar el omportamiento eléctrico del módulo bajo unas condiciones estándar de medida (STC) que suelen ser, por convenio internacional, de 1000w/m2 y T=25ºC. Algunas de estas especificaciones técnicas suelen ser:

• La intensidad o corriente de cortocircuito (Icc) se produce a tensión cero y se mide conectando un simple amperímetro a la salida de la célula o panel. Sus valores suelen ser entre los 3 y los 7 Amperios. También podemos encontrarla con la nomenclatura Isc por Short Circuit, corto circuito, en inglés.
• La tensión de circuito abierto (Vca) es realmente la tensión máxima que puede dar una célula o panel y se mide directamente entre bornes de la célula o panel con un voltímetro. También podemos encontrarla con la nomenclatura de Vsc en inglés.
• La potencia pico o Wp es simplemente el producto real máximo de la corriente y la tensión producida. Obviamente la Wp teórica es superior a la Wp real, eso se explica a continuación con el Factor de Forma.

Ahora imagínate que el producto de Icc x Vca se representa por un cuadrado, la esquina inferior izquierda representa el origen 0,0 de un eje de cordenadas y el extremo superior derecho representa la potencia máxima teórica Wpt = Icc x Vca. Bien, sabemos que la potencia Wp real siempre será menor que la Wp teórica y en consecuencia la potencia real Wpr = Ip x Vp serámenor que Wpt = Icc x Vca. Pues el factor de forma es el cociente de FF = Wpr / Wpt y su resultado, obviamente, será siempre menor que uno. Este dato nos da una idea de la calidad de la célulafotovoltaica o panel.

La cantidad de energía que entrega una célula fotovoltaica  esta determinada por:

• La longitud de onda de la luz del sol
• El área de la célula fotovoltaica
• El tipo de material
• La intensidad de la radiación solar

Por ejemplo, las células fotovoltaicas de silicio monocristalino actualmente no pueden convertir más el de 25% de la energía solar en electricidad, porque la radiación en la región infrarroja del espectro electromagnético no tiene suficiente energía como para separar las cargas positivas y negativas en el material.

Las célula fotovoltaica de silicio policristalino en la actualidad tienen una eficiencia de menos del 20% y las celdas amorfas de silicio tienen ctualmente una eficiencia cerca del 10%, debido a pérdidas de energía internas más altas que las del silicio monocristalino.

Una célula fotovoltaica de silicio monocristalino de 100 cm2 producirá cerca de 1.5 vatios de energía a 0.5 voltios de Corriente Continua y 3 amperios bajo la luz del sol en pleno verano (1000Wm-2). La energía de salida de la célula es casi directamente proporcional a la intensidad de la luz del sol. (Por ejemplo, si la intensidad de la luz del sol se divide por la mitad la energía de salida también será disminuida a la mitad).

Una característica importante de las celdas fotovoltaicas es que el voltaje de la célula fotovoltaica no depende de su tamaño, y sigue siendo bastante constante con el cambio de la intensidad de luz. La corriente en un dispositivo, sin embargo, es casi directamente proporcional a la intensidad de la luz y al tamaño. Para comparar diversas celdas se las clasifica por densidad de corriente, o amperios por centímetro cuadrado del área de la célula. La potencia entregada por una célula fotovoltaica se puede aumentar con bastante eficacia empleando un mecanismo de seguimiento para mantener el dispositivo fotovoltaico directamente frente al sol, o concentrando la luz del sol usando lentes o espejos. Sin embargo, hay límites a este proceso, debido a la complejidad de los mecanismos, y de la necesidad de refrescar las celdas. La corriente es relativamente estable a altas temperaturas, pero el voltaje se reduce, conduciendo a una caída de potencia a causa del aumento de la temperatura de la célula fotovoltaica.