Célula fotovoltaica (célula solar)
Célula fotovoltaica: dispositivo semiconductor que convierte la luz en electricidad por efecto fotovoltaico. Explica principios, tecnologías, rendimiento y aplicaciones en sistemas e instalaciones solares.
Definición y principio básico
Una célula fotoeléctrica, también llamada célula fotovoltaica o simplemente célula solar, es un dispositivo semiconductor que convierte la energía de la radiación luminosa en energía eléctrica mediante el efecto fotovoltaico. Cuando los fotones de la luz inciden sobre el material semiconducto r generan portadores de carga (electrones y huecos) que pueden ser extraídos como corriente eléctrica continua si existe un campo eléctrico interno o una unión p–n.
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Aplicaciones
Las células solares tienen numerosas aplicaciones prácticas. Tradicionalmente se usan en situaciones donde no hay acceso a la energía de la red, por ejemplo para el suministro en zonas remotas, en satélites y sondas en órbita terrestre, y en dispositivos de baja potencia como calculadoras de mano o relojes. Otras aplicaciones incluyen radioteléfonos remotos, sistemas de bombeo de agua para riego o suministro, señalización y electrificación rural.
En las últimas décadas, el uso de paneles solares se ha expandido también hacia instalaciones conectadas a la red eléctrica, donde la energía generada puede inyectarse a la red o compensarse mediante esquemas de medición neta. En estos sistemas es habitual emplear un inversor que convierte la corriente continua de los módulos en corriente alterna compatible con la red y con los consumos domésticos o industriales.
Tecnologías y rendimiento
Las tecnologías dominantes en mercado son las basadas en silicio cristalino (monocristalino y policristalino) y diversas tecnologías de película delgada (como teluro de cadmio o CIGS), además de desarrollos recientes en perovskitas y celdas multijuntura. El rendimiento energético de una célula o de un módulo depende del material, la calidad de fabricación y las condiciones de instalación; los módulos comerciales suelen mostrar eficiencias que varían según la tecnología y el fabricante.
La investigación continúa aumentando las eficiencias y la estabilidad de nuevos materiales (por ejemplo, el desarrollo de celdas tándem que combinan silicio y perovskita). Además de la eficiencia de la propia célula, la producción de energía útil de una instalación depende de factores como orientación, inclinación, sombreamiento y temperatura.
Integración, almacenamiento y aspectos económicos
La integración de energía fotovoltaica en sistemas energéticos modernos suele requerir además del propio generador fotovoltaico otros componentes: estructuras de apoyo, cableado, protección eléctrica y control, y sistemas de conversión y gestión (inversores, reguladores). Para garantizar suministro en ausencia de irradiación se recurre a soluciones de almacenamiento (baterías) o a la combinación con otras fuentes energéticas.
Desde el punto de vista económico, los costes de la tecnología han disminuido significativamente en las últimas décadas, aunque la viabilidad de una instalación depende del coste del equipo, de la energía local, de incentivos fiscales y de los costes de operación y mantenimiento. El periodo de retorno energético y económico varía con la ubicación geográfica y la tecnología empleada.
Impacto ambiental y ciclo de vida
Las centrales fotovoltaicas generan electricidad sin emisiones durante su operación, pero su impacto ambiental debe evaluarse en todo el ciclo de vida: extracción y procesamiento de materias primas, fabricación, transporte, instalación y gestión al final de su vida útil. Parámetros como la energía acumulada en la fabricación y la tasa de reciclaje influyen en su sostenibilidad. En general, el balance energético suele ser positivo tras unos pocos años de funcionamiento, dependiendo de la tecnología y del lugar de instalación.
Perspectivas y desarrollo
Las perspectivas para las células fotoeléctricas incluyen mejoras en eficiencia, reducción de costes y mayor integración con redes inteligentes y sistemas de almacenamiento. La investigación se orienta a materiales más eficientes y estables, procesos de fabricación menos contaminantes y técnicas de reciclaje más eficaces. Estas mejoras pueden ampliar su papel en la descarbonización del suministro eléctrico y en la electrificación de sectores hoy dependientes de combustibles fósiles.
Tres generaciones de desarrollo
Primero
La primera generación de células fotovoltaicas consiste en un diodo de unión p-n de gran superficie y una sola capa, capaz de generar energía eléctrica utilizable a partir de fuentes de luz con las longitudes de onda de la luz solar. Estas células se fabrican normalmente con una oblea de silicio. Las células fotovoltaicas de primera generación (también conocidas como células solares basadas en obleas de silicio) son la tecnología dominante en la producción comercial de células solares, y representan más del 86% del mercado de células solares.
Segundo
La segunda generación de materiales fotovoltaicos se basa en el uso de depósitos de película fina de semiconductores. En un principio, estos dispositivos se diseñaron como células fotovoltaicas de unión múltiple de alta eficiencia. Posteriormente, se observó la ventaja de utilizar una capa fina de material, reduciendo la masa de material necesaria para el diseño de las células. Esto contribuyó a predecir una gran reducción de los costes de las células solares de capa fina. En la actualidad (2007) existen diferentes tecnologías/materiales semiconductores en investigación o en producción en masa, como el silicio amorfo, el silicio policristalino, el silicio microcristalino, el teluro de cadmio y el seleniuro/sulfuro de cobre e indio. Normalmente, la eficiencia de las células solares de capa fina es menor que la de las células solares de silicio (basadas en obleas), pero los costes de fabricación también son menores, por lo que se puede conseguir un precio más bajo en términos de $/vatio de potencia eléctrica. Otra ventaja de la masa reducida es que se necesita menos soporte para colocar los paneles en los tejados y que permite colocar los paneles en materiales ligeros o flexibles, incluso textiles. Esto permite crear paneles solares enrollables portátiles, que pueden caber en una mochila y utilizarse para alimentar teléfonos móviles u ordenadores portátiles en zonas remotas.
Tercero
La tercera generación fotovoltaica es muy diferente de las otras dos, y se define en términos generales como dispositivos semiconductores que no dependen de una unión p-n tradicional para separar los portadores de carga fotogenerados. Estos nuevos dispositivos incluyen las células fotoelectroquímicas, las células solares de polímero y las células solares de nanocristales.
Entre las empresas que trabajan en la tercera generación fotovoltaica se encuentran Xsunx, Konarka Technologies, Inc. Nanosolar y Nanosys. El Laboratorio Nacional de Energías Renovables de Estados Unidos (http://www.nrel.gov/) también está investigando en este campo.
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Autor
AlegsaOnline.com Célula fotovoltaica (célula solar) Leandro Alegsa
URL: https://es.alegsaonline.com/art/91629
Fuentes
- ncbi.nlm.nih.gov : PMID 15640806