¿Cómo funciona una célula fotovoltaica?

Una célula fotovoltaica, también conocida como célula solar, es un componente electrónico que genera electricidad cuando se expone a fotones o partículas de luz. Esta conversión se denomina efecto fotovoltaico, que fue descubierto en 1839 por el físico francés Edmond Becquerel. Tenemos que remontarnos hasta la década de 1960 para encontrar la primera aplicación práctica de las células fotovoltaicas en algunos satélites puestos en órbita.

Los paneles solares que presentan módulos de células fotovoltaicas comenzaron a llegar al mercado particular y empresarial en la década de 1980. La capacidad fotovoltaica ha estado creciendo constantemente desde principios del siglo XXI, liderada por la construcción de enormes parques solares.

Cómo funciona una celda fotovoltaica

Una célula fotovoltaica está compuesta por materiales semiconductores que consiguen absorber los fotones emitidos por el sol y generar energía a través de ellos. Los fotones son partículas de luz que transportan la radiación solar a velocidades de hasta 300.000 kilómetros por segundo. Cuando los fotones golpean un material semiconductor como el silicio, liberan los electrones de sus átomos, dejando un espacio vacío. Los electrones perdidos se mueven al azar buscando otro «agujero» para llenar.

No obstante, para generar corriente eléctrica, los electrones tienen que ir en la misma dirección. Esto se consigue usando dos tipos de silicio. La capa de silicio que está expuesta al sol está dotada de átomos de fósforo, elemento que presenta un electrón más que el silicio, mientras que la otra cara está dotada con átomos de boro, que tiene un electrón menos. La combinación resultante funciona como una batería y hace que se cree un campo eléctrico en la unión de ambas capas.

Cuando los electrones son excitados por los fotones, son arrastrados hacia un lado por un campo eléctrico, mientras que los huecos se desplazan hacia el otro lado. Los electrones y los huecos se dirigen a los contactos eléctricos aplicados a ambos lados antes de fluir al circuito externo en forma de energía eléctrica. Esto produce corriente continua. Se agrega un revestimiento anti-reflectante en la parte superior de la celda para minimizar la pérdida de fotones debido a la reflexión de la superficie.

La eficiencia es la relación entre la energía eléctrica producida por la celda y la cantidad de luz solar que recibe. Para medir la eficiencia, las celdas se combinan en módulos, que a su vez se ensamblan en matrices.

Diferentes tipos de células fotovoltaicas

Existen diferentes tipos principales de células fotovoltaicas. A continuación, repasamos las más relevantes.

Células de silicio cristalino

El silicio se extrae de la sílice. La sílice presenta muchas formas y se encuentra en grandes cantidades en la arena. Las células de silicio representan más del 95% del mercado de células solares. En aplicaciones comerciales, su eficiencia oscila entre el 16,5% y el 22%, según la tecnología utilizada.

Células de película delgada

En lugar de cortar láminas de silicio de alrededor de 200 micras, es posible depositar material semiconductor en capas delgadas de solo unas pocas micras de espesor sobre un sustrato como vidrio o plástico. Las sustancias comúnmente utilizadas son el telururo de cadmio y el seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS), cuyas eficiencias de laboratorio son cercanas a las del silicio, con un 22,1 % y un 23,3 %, respectivamente. El silicio amorfo (no cristalino) también se puede utilizar para fabricar células de película delgada. Esta tecnología se ha aplicado durante mucho tiempo en calculadoras pequeñas, pero es menos eficiente que el silicio.

Células Orgánicas

Las células solares orgánicas que usan moléculas o polímeros en lugar de minerales semiconductores están comenzando a salir al mercado y a presentarse como una alternativa muy interesante. Las celdas continúan teniendo una eficiencia de conversión baja y una vida útil corta, pero son potencialmente una alternativa de bajo costo en términos de producción.

Perovskitas

Investigaciones anteriores sobre energía fotovoltaica orgánica condujeron al descubrimiento de un nuevo tipo de célula llamada perovskita, que utiliza compuestos híbridos orgánico-inorgánicos como material activo. Las perovskitas ya han alcanzado eficiencias de laboratorio en línea con las de otras tecnologías (el récord es del 23,7%).

Aunque aún queda mucha investigación por hacer antes de que las células puedan producirse en masa (la inestabilidad es un problema), las perovskitas tienen muchas ventajas. Además de ser ligeros y flexibles, sus materiales pueden mezclarse con tinta y aplicarse sobre grandes superficies. Además, son extremadamente rentables de producir.

Convergencia Tecnológica

Científicos de todo el mundo están trabajando en la combinación de diferentes tecnologías fotovoltaicas para crear células de unión múltiple. La utilización de diferentes materiales permite que las células alcancen una eficiencia muy superior al límite máximo teórico (33,5 %), manteniendo los costes de fabricación bajo control. La investigación se centra principalmente en las células tándem de silicio de película fina, que producen una eficiencia teórica del 43 %. La eficiencia teórica máxima de las celdas multi-unión es superior al 50%.