INTRODUCCIÓN
Consiste en la transformación directa de la energía solar en energía eléctrica mediante el efecto fotovoltaico.
Existen fundamentalmente dos tipos de aplicaciones de la energía solar fotovoltaica: instalaciones aisladas de la red eléctrica y centrales de generación conectadas a la red.
Sistemas aislados de energía solar fotovoltaica: gracias a esta tecnología podemos disponer de electricidad en lugares alejados de la red de distribución eléctrica. De esta manera, podemos suministrar electricidad a casas de campo, refugios de montaña, bombeos de agua, instalaciones ganaderas, sistemas de iluminación o balizamiento, sistemas de comunicaciones, etc.
Los sistemas aislados se componen principalmente de captación de energía solar mediante paneles solares fotovoltaicos y almacenamiento de la energía eléctrica generada en baterías.
Sistemas fotovoltaicos conectados a red: esta aplicación consiste en generar electricidad mediante paneles solares fotovoltaicos e inyectarla directamente a la red de distribución eléctrica. Actualmente, en paises como España, Alemania o Japón, las compañías de distribución eléctrica están obligadas por ley a comprar la energía inyectada a su red por estas centrales fotovoltaicas.
CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
Son dispositivos formados por metales sensibles a la luz que desprenden electrones cuando los fotones inciden sobre ellos. Convierten energía luminosa en energía eléctrica.
Están formados por células elaboradas a base de silicio puro con adición de impurezas de ciertos elementos químicos, siendo capaces de generar cada una de 2 a 4 Amperios, a un voltaje de 0,46 a 0,48 V, utilizando como materia prima la radiación solar.
Las células se montan en serie sobre paneles o módulos solares para conseguir un voltaje adecuado a las aplicaciones eléctricas; los paneles captan la energía solar transformándola directamente en eléctrica en forma de corriente continua, que se almacena en acumuladores, para que pueda ser utilizada fuera de las horas de luz.
Los módulos fotovoltaicos admiten tanto radiación directa como difusa, pudiendo generar energía eléctrica incluso en días nublados.
TIPOS DE CÉLULAS
El mercado ofrece numerosos tipos de células FVs. Algunas gozan de más difusión que otras debido a que fueron introducidas hace largo tiempo atrás.
Todas las células pertenecen a uno de los grupos mencionados a continuación:
- Mono-cristalinas.
- Poli-cristalinas.
- Amorfas.
El orden dado es el mismo cuando se considera el costo o la eficiencia de conversión.
Estructura mono-cristalina
Las células de estructura mono-cristalina fueron las primeras en ser manufacturadas, ya que se podían emplear las mismas técnicas usadas previamente en la fabricación de diodos y transistores. A este tipo de células, conocidas simplemente como cristalinas, se le asigna la abreviatura (cSi). El proceso de fabricación del cristal de silicio requiere un alto consumo de energía eléctrica, lo que eleva el costo de estas células, las que proporcionan los más altos valores de eficiencia. Recientemente, una compañía ha anunciado la introducción de una célula de cSi, sin rejilla de contacto frontal, la que tendría una eficiencia del 20% (máximo teórico: aprox. 25%).
Estructura poli-cristalina
La versión poli-cristalina (pSi) se obtiene fundiendo silicio de grado industrial, el que se vierte en moldes rectangulares, de sección cuadrada. Como el costo del material y el procesado se simplifican, estas células alcanzan un valor intermedio entre las cristalinas y las amorfas. La eficiencia ha ido creciendo, llegando a ofrecerse células de pSi con eficiencia de conversión del 15%, un valor reservado pocos años atrás para las células de cSi.
Las células de cSi se reconocen a simple vista, ya que su superficie es uniforme. Expuestas a la luz actúan como un espejo grisáceo. Las células policristalinas reflejan la luz en forma no uniforme, pudiéndose observar las imperfecciones en el cristal. Tienen, asimismo, una coloración azulada.
Estructura amorfa
El otro tipo corresponde a las células amorfas (a=sin; morfo=forma). Como su nombre indica estas células no poseen una estructura cristalina. Precisamente esa simplificación en la estructura conduce a un abaratamiento drástico de las mismas.
Es un hecho que cuando más se aleja la técnica de fabricación de una célula
FV de la estructura cristalina pura, más defectos estructurales aparecerán en la sustancia semiconductora, los que aumentan el atrapamiento de las cargas libres, disminuyendo la eficiencia de conversión. Para reducir este efecto, el espesor del material activo en estas células es diez (10) veces menor que el de una célula de cSi. Esto, a su vez, contribuye a bajar el costo.
Principio de funcionamiento
En un semiconductor expuesto a la luz, un fotón de energía arranca un electrón, creando al pasar un «hueco». Normalmente, el electrón encuentra rápidamente un hueco para volver a llenarlo, y la energía proporcionada por el fotón, pues, se disipa. El principio de una célula fotovoltaica es obligar a los electrones y a los huecos a avanzar hacia el lado opuesto del material en lugar de simplemente recombinarse en él: así, se producirá una diferencia de potencial y por lo tanto tensión entre las dos partes del material, como ocurre en una pila.
Para ello, se crea un campo eléctrico permanente, a través de una unión PN, entre dos capas dopadas respectivamente, P y N.
La capa superior de la celda se compone de silicio dopado de tipo N. En esta capa, hay un número de electrones libres mayor que una capa de silicio puro, de ahí el nombre del dopaje N, como carga negativa (electrones). El material permanece eléctricamente neutro: es la red cristalina quien tiene globalmente una carga positiva.
La capa inferior de la celda se compone de silicio dopado de tipo P. Esta capa tiene por lo tanto una cantidad media de electrones libres menor que una capa de silicio puro, los electrones están ligados a la red cristalina que, en consecuencia, está cargada positivamente. La conducción eléctrica está asegurada por los huecos, positivos (P).
En el momento de la creación de la unión PN, los electrones libres de la capa N entran en la capa P y se recombinan con los huecos en la región P. Existirá así durante toda la vida de la unión, una carga positiva en la región N a lo largo de la unión (porque faltan electrones) y una carga negativa en la región en P a lo largo de la unión (porque los huecos han desaparecido); el conjunto forma la «Zona de Carga de Espacio» (ZCE) y existe un campo eléctrico entre las dos, de N hacia P. Este campo eléctrico hace de la ZCE un [diodo]], que solo permite el flujo de corriente en una dirección: los electrones pueden moverse de la región P a la N, pero no en la dirección opuesta y por el contrario los huecos no pasan más que de N hacia P.no
En funcionamiento, cuando un fotón arranca un electrón a la matriz, creando un electrón libre y un hueco, bajo el efecto de este campo eléctrico cada uno va en dirección opuesta: los electrones se acumulan en la región N (para convertirse en polo negativo), mientras que los huecos se acumulan en la región dopada P (que se convierte en el polo positivo). Este fenómeno es más eficaz en la (ZCE), donde casi no hay portadores de carga (electrones o huecos), ya que son anulados, o en la cercanía inmediata a la (ZCE): cuando un fotón crea un par electrón-hueco, se separaron y es improbable que encuentren a su opuesto, pero si la creación tiene lugar en un sitio más alejado de la unión, el electrón (convertido en hueco) mantiene una gran oportunidad para recombinarse antes de llegar a la zona N (resp. la zona P). Pero la ZCE es necesariamente muy delgada, así que no es útil dar un gran espesor a la célula.
En suma, una célula fotovoltaica es el equivalente de un Generador de Energía a la que hemos añadido un diodo.
Es preciso añadir contactos eléctricos (que permitan pasar la luz: en la práctica, mediante un contacto de rejilla, una capa antireflectante para garantizar la correcta absorción de fotones, etc.
Para que la célula funcione, y produzca la potencia máxima de corriente se le añade la banda prohibida de los semiconductores a nivel de energía de los fotones. Es posible aumentar las uniones a fin de explotar al máximo el espectro de energía de los fotones, lo que produce las células multijuntas.
