¿Qué son las células fotovoltaicas y cómo funcionan?

Una célula fotovoltaica (PV) es una tecnología de aprovechamiento de energía que convierte activamente la energía solar en electricidad útil mediante un proceso conocido como efecto fotovoltaico. Existen varios tipos de células fotovoltaicas utilizadas en los paneles solares, todas ellas emplean semiconductores para interactuar con los fotones de la luz solar entrante, generando así una corriente eléctrica.

Contenidos:

Tipos de Células Fotovoltaicas

Los fabricantes pueden producir células fotovoltaicas de diversas maneras utilizando distintos materiales. El silicio (Si) es el material más común para la fabricación de células solares comerciales, pero también se utilizan otros como el arseniuro de galio (GaAs), el telururo de cadmio (CdTe) y el seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS). Dependiendo del material, las células solares pueden ser estructuras cristalinas rígidas, como las de Si y GaAs, o células de película delgada flexibles, como las de Si, CdTe y CIGS.

Las células solares cristalinas pueden dividirse en monocristalinas y policristalinas. Las células fotovoltaicas monocristalinas están compuestas por una única estructura cristalina uniforme, mientras que las células policristalinas contienen una mezcla de diferentes estructuras cristalinas.

Además, las células solares varían según el número de capas o “uniones p-n” que poseen. Mientras que la mayoría de las células fotovoltaicas comerciales son de una sola unión, los fabricantes también han desarrollado células fotovoltaicas de múltiples uniones, que ofrecen mayores niveles de eficiencia, aunque a un costo más elevado.

Las Diferentes Capas de una Célula Fotovoltaica

Una célula fotovoltaica (PV) está compuesta por múltiples capas, cada una desempeñando un papel fundamental en la conversión de la luz solar en electricidad. Las capas más comunes e importantes incluyen:

• Capa de Vidrio Protector: Esta capa superior protege la célula de los elementos ambientales mientras permite el paso de la luz solar.
• Recubrimiento Antirreflectante: Aplicado en la superficie de la célula, esta capa reduce la reflexión de la luz y asegura que se absorba la mayor cantidad posible en lugar de ser reflejada.
• Capa de Semiconductores Tipo N: Dopada con materiales que añaden electrones adicionales, generando una carga negativa.
• Capa de Semiconductores Tipo P: Ubicada debajo de la capa tipo N, esta capa se dopa para tener menos electrones, creando espacios conocidos como “huecos”, lo que resulta en una carga positiva.
• Capa de Unión: Es la zona donde se encuentran las capas tipo N y tipo P. Aquí, el movimiento de electrones desde la capa tipo N hacia la capa tipo P crea un campo eléctrico.
• Capa de Contacto Posterior: Actúa como electrodo trasero, proporcionando un camino para que los electrones fluyan fuera de la célula hacia un circuito externo antes de regresar a la célula.
• Capa de Contacto Frontal: Generalmente compuesta por finos dedos metálicos, esta capa recoge y transfiere los electrones del semiconductor al circuito externo.

Estas capas trabajan en conjunto para capturar la luz solar, generar cargas eléctricas y transportarlas, creando así una corriente eléctrica.

¿Qué es el Efecto Fotovoltaico?

El efecto fotovoltaico es un fenómeno que ocurre cuando una célula fotovoltaica, al estar expuesta a la luz solar, genera voltaje o corriente eléctrica. Dentro de estas células solares existen dos tipos distintos de semiconductores: el tipo P y el tipo N. Estos semiconductores se combinan para formar una unión p-n. En esta unión, se genera un campo eléctrico a medida que los electrones migran hacia el lado P, que es positivo, y los huecos se desplazan hacia el lado N, que es negativo. Este campo dirige las partículas con carga negativa en una dirección y las partículas con carga positiva en la dirección opuesta.

La luz solar está compuesta por fotones, pequeñas partículas de energía electromagnética. Cuando estos fotones, con la longitud de onda adecuada, impactan sobre las células solares, transfieren su energía a un electrón dentro del material semiconductor. Este aumento de energía impulsa al electrón a un estado de mayor energía, conocido como la banda de conducción. Una vez en la banda de conducción, los electrones pueden moverse libremente a través del material. Es este movimiento de electrones el que genera una corriente eléctrica en la célula.

Células Fotovoltaicas y Eficiencia Solar

Diseñar células fotovoltaicas (PV) eficientes es un desafío debido a varios factores que limitan su rendimiento. Una de las principales limitaciones es que una cuarta parte de la energía solar que llega a la Tierra no puede convertirse en electricidad mediante semiconductores de silicio. Esto se debe a que los semiconductores requieren una cantidad mínima de energía, conocida como energía de banda prohibida, para liberar un electrón de la estructura cristalina. En el caso del silicio, esta energía de banda prohibida es de 1.12 electronvoltios. Dado que la luz solar contiene fotones con una amplia gama de energías, no todos los fotones poseen la suficiente energía para desplazar un electrón en una célula fotovoltaica de silicio. Además, cualquier energía de los fotones que supere la energía de banda prohibida se convierte en calor, lo que reduce aún más la eficiencia, ya que este calor no se aprovecha para generar electricidad.

Adicionalmente, no todos los electrones generados contribuyen a la producción de electricidad. Algunos electrones no adquieren el impulso suficiente debido al voltaje interno del semiconductor y no logran salir del sistema. Estos factores conducen a un límite teórico de eficiencia de aproximadamente el 33% para las células fotovoltaicas de silicio.

Para mejorar la eficiencia de las células fotovoltaicas, se pueden aplicar diversos métodos, aunque cada uno de ellos aumenta el costo. Estas técnicas incluyen mejorar la pureza del semiconductor, utilizar materiales más eficientes como el arseniuro de galio, añadir más capas o uniones p-n a la célula o concentrar la luz solar mediante tecnología fotovoltaica concentrada. Sin embargo, las células fotovoltaicas también experimentan degradación con el tiempo, perdiendo eficiencia debido a factores como la exposición a los rayos UV y los ciclos climáticos. Según el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL), la tasa promedio de pérdida de eficiencia es del 0.5% por año.

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