Célula solar monocristalina mientres la so fabricación

Símbolu de la célula fotovoltaica

Una célula fotollétrica, tamién llamada celda, fotocélula o célula fotovoltaica, ye un dispositivu electrónicu que dexa tresformar la enerxía llumínica (fotones) n'enerxía llétrica (fluxu d'electrones llibres) por aciu l'efeutu fotoeléctricu, xenerando enerxía solar fotovoltaica. Compuestu d'un material que presenta efeutu fotoeléctricu: absuerben fotones de lluz y emiten electrones. Cuando estos electrones llibres son prindaos, la resultancia ye una corriente llétrica que puede ser utilizada como lletricidá.

La eficiencia de conversión media llograda poles célules disponibles comercialmente (producíes a partir de siliciu monocristalino) ta alredor del 16%, pero según la teunoloxía utilizada varia dende'l 6% de les célules de siliciu amorfo hasta'l 22% de les célules de siliciu monocristalino. Tamién esisten les célules multicapa, de normal d'arseniuro de galio, qu'algamen eficiencies del 30%. En llaboratoriu superóse'l 46% con célules esperimentales.^[1][2]

La vida útil media a máximu rendimientu asítiase en redol a los 25 años, periodu a partir del cual la potencia apurrida mengua per debaxo d'un valor considerable.

Al grupu de célules fotoeléctriques pa enerxía solar conózse-y como panel fotovoltaico. Los paneles fotovoltaicos consisten nuna rede de célules solares coneutaes como circuitu en serie p'aumentar la tensión de salida hasta'l valor deseyáu (usualmente utilícense 12 V o 24 V) al empar que se conecten delles redes como circuitu paralelu p'aumentar la corriente llétrica que ye capaz d'apurrir el dispositivu.

El tipu de corriente llétrica qu'apurren ye corriente continua, polo que si precisamos corriente alterna o aumentar la so tensión, vamos tener qu'añader un inversor y/o un convertidor de potencia

Historia

El efeutu fotovoltaico foi esperimentalmente demostráu per primer vegada pol físicu francés Edmond Becquerel. En 1839, a los 19 años, construyó la primer célula fotovoltaica del mundu nel llaboratoriu del so padre. Willoughby Smith describió per primer vegada'l «Effect of Light on Selenium during the passage of an Electric Current» [Efeutu de la lluz sobre'l seleniu mientres el pasu d'una corriente llétrica] el 20 de febreru de 1873 na revista Nature. En 1883 Charles Fritts construyó la primer célula fotovoltaica d'estáu sólidu por aciu el recubrimientu del seleniu semiconductor con una capa delgada d'oru pa formar les uniones; el dispositivu tuvo solo alredor del 1% d'eficiencia.

En 1888 el físicu rusu Aleksandr Stoletov construyó la primer célula basada nel efeutu fotoeléctricu esternu descubiertu por Heinrich Hertz en 1887.^[3]

En 1905 Albert Einstein propunxo una nueva teoría cuántica de la lluz y esplicó l'efeutu fotoeléctricu nun artículu de referencia, pol que recibió'l Premiu Nobel de Física en 1921.^[4]

Vadim Lashkaryov afayó uniones p-n en Cu${\displaystyle _{2}}$O y protocélulas de sulfuru de plata en 1941.^[5]

Russell Ohl patentó la moderna célula solar n'unión semiconductora en 1946^[6] mientres trabayaba na serie de meyores que conduciríen al transistor.

La primer célula fotovoltaica práutica amosóse públicamente'l 25 d'abril de 1954 nos Llaboratorios Bell.^[7] El inventores fueron Daryl Chapin, Calvin Souther Fuller y Gerald Pearson.^[8][9]

Les célules solares adquirieron notoriedá cola so incorporación nel satélite artificial Vanguard I en 1958, y el so subsiguiente usu en satélites más avanzaos, mientres la década de 1960.

Les meyores fueron graduales mientres les siguientes dos décades. Sicasí, esti ésitu foi tamién la razón de que los costos caltuviérense altos, porque los usuarios d'aplicaciones espaciales taben dispuestos a pagar les meyores célules posibles, ensin tener nenguna razón pa invertir nes de menor costu, en soluciones menos eficientes. El preciu taba determináu en gran parte pola industria de los semiconductores; el so treslláu a los circuitos integraos na década de 1960 llevó a la disponibilidad de lingotes más grandes a precios relativamente más baxos. Al cayer el so preciu, el preciu de les célules resultante tamién la fixo. Estos efeutos baxaron los costos en 1971 a unos $ 100 por vatiu.^[10]

Principiu de funcionamientu

Esquema del campu llétrico creáu nuna célula fotovoltaica por aciu la unión pn ente dos capes de semiconductores dopados.

Nun semiconductor espuestu a la lluz, un fotón d'enerxía arrinca un electrón, creando al empar un «Buecu d'electrón buecu» nel átomu escitáu. De normal, l'electrón atopa rápido otru buecu pa volver enllenalo, y la enerxía proporcionada pol fotón, por tanto, esténase en forma de calor. El principiu d'una célula fotovoltaica ye obligar a los electrones y a los buecos» a avanzar escontra'l llau opuestu del material en llugar d'a cencielles recombinarse nél: asina, va producise una diferencia de potencial y polo tanto tensión ente les dos partes del material, como asocede nuna pila.

Pa ello, créase un campu llétrico permanente, al traviés d'una unión pn, ente dos capes dopadas respeutivamente, p y n. Nes célules de siliciu, que son mayoritariamente utilizaes, atopar por tanto:

• La capa cimera de la celda, que se compón de siliciu dopado de tipu n.^{[nota 1]} Nesta capa, hai un númberu d'electrones llibres mayor que nuna capa de siliciu puro, d'ende'l nome del dopaxe n, negativu. El material permanez llétricamente neutru, yá que tantu los átomos de siliciu como los del material dopante son neutros: pero la rede cristalina tien globalmente una mayor presencia d'electrones que nuna rede de siliciu puro.

• La capa inferior de la celda, que se compón de siliciu dopado de tipu p.^{[nota 2]}Esta capa tien polo tanto una cantidá media d'electrones llibres menor qu'una capa de siliciu puro. Los electrones tán amestaos a la rede cristalina que, arriendes d'ello, ye llétricamente neutra pero presenta buecos, positivos (p). La conducción llétrica ta asegurada por estos portadores de carga, que se mueven por tol material.

Nel momentu de la creación de la unión pn, los electrones llibres de la capa n entren instantáneamente na capa p y se recombinan colos buecos na rexón p. Va Esistir asina mientres tola vida de la unión, una carga positiva na rexón n a lo llargo de la unión (porque falten electrones) y una carga negativa na rexón en p a lo llargo de la unión (porque los buecos sumieron); el conxuntu forma la Zona de Carga d'Espaciu» (ZCE) o "zona de barrera" y esiste un campu llétrico ente los dos, de n escontra p. Esti campu llétrico fai de la ZCE un diodu, que solo dexa'l fluxu de portadores nuna direición: N'ausencia d'una fonte de corriente esterior y so la sola influencia del campu xeneráu na ZCE los electrones solo pueden movese de la rexón p a la n, pero non na direición opuesta y pela cueta los buecos nun pasen más que de n escontra p.

En funcionamientu, cuando un fotón arrinca un electrón a la matriz, creando un electrón llibre y un buecu, sol efeutu d'esti campu llétrico cada unu va en direición opuesta: los electrones atropar na rexón n (pa convertise en polu negativu), ente que los buecos atropar na rexón dopada p (que se convierte nel polu positivu). Esti fenómenu ye más eficaz na ZCE, onde cuasi nun hai portadores de carga (electrones o buecos), yá que son anulaos, o na cercanía inmediata a la ZCE: cuando un fotón crea un par electrón-buecu, dixebráronse y ye improbable qu'atopen al so opuestu, pero si la creación tien llugar nun sitiu más alloñáu de la unión, l'electrón (convertíu en buecu) caltién una gran oportunidá pa recombinarse antes de llegar a la zona n. Pero la ZCE ye necesariamente bien delgada, asina que nun ye útil dar una gran espesura a la célula.^{[nota 3]} Efeutivamente, la grosez de la capa n ye bien pequeñu, una y bones esta capa solo precísase básicamente pa crear la ZCE que fai funcionar la célula. Sicasí, la grosez de la capa p ye mayor: depende d'un compromisu ente la necesidá d'embrivir les recombinaciones electrón-buecu, y pela cueta dexar la captación del mayor númberu de fotones posible, pa lo que se riquir cierta mínima espesura.

En resume, una célula fotovoltaica ye l'equivalente d'un xenerador d'enerxía a la que s'añedió un diodu. Pa llograr una célula solar práutica, amás ye precisu añader contactos llétricos (que dexen estrayer la enerxía xenerada), una capa que protexa la célula pero dexe pasar la lluz, una capa antireflectante pa garantizar la correuta absorción de los fotones, y otros elementos qu'aumenten la eficiencia del mesma.

Téunica de fabricación

Oblees utilizaes pa la so posterior conversión en célules fotovoltaiques, na cinta tresportadora mientres el so procesu de fabricación.

Célules fotovoltaiques llistes pal so usu.

El siliciu ye anguaño'l material más comúnmente usáu pa la fabricación de célules fotovoltaiques. Llograr por amenorgamientu de la xil, compuestu más abondosu na corteza de la Tierrasobremanera na arena o'l cuarzu.

El primer pasu ye la producción de siliciu metalúrxico, puru al 98%, llográu de piedres de cuarzu provenientes d'un filón mineral (la téunica de producción industrial nun parte del sable). El siliciu se purifica por aciu procedimientos químicos (Llaváu + Decapado) emplegando con frecuencia destilaciones de compuestos clorados de siliciu, hasta que la concentración d'impureces ye inferior al 0.2 partes per millón. Asina se llogra'l siliciu semiconductor con un grau de pureza cimera al riquíu pa la xeneración d'enerxía solar fotovoltaica. Este constituyó la base del suministru de materia primo p'aplicaciones solares hasta la fecha, representando na actualidá cuasi los trés cuartes partes del suministru de les industries.

Sicasí, pa usos específicamente solares, son abondos (dependiendo del tipu d'impureza y de la téunica de cristalización), concentraciones d'impureces del orde d'una parte por millón. Al material d'esta concentración suélse-y denominar siliciu de grau solar.

Col siliciu fundíu, realízase un procesu de crecedera cristalina que consiste en formar capes monomoleculares alredor d'un xerme de cristalización o d'un cristalito inicial. Nueves molécules xúntense preferentemente na cara onde la so adhesión llibera más enerxía. Les diferencies enerxétiques suelen ser pequeñes y pueden ser modificaes pola presencia de diches impureces o camudando les condiciones de cristalización. La grana o xerme de cristalización que provoca esti fenómenu ye estrayida del siliciu fundíu, que va solidificando de forma cristalina, resultando, si'l tiempu ye abondu, un monocristal y si ye menor, un policristal. La temperatura a la que se realiza esti procesu ye cimeru a los 1500 °C.

El procedimientu más emplegáu na actualidá ye'l Procesu Czochralski, pudiéndose emplegar tamién téuniques de coláu. El siliciu cristalino asina llográu tien forma de lingotes.

Estos lingotes son depués cortaos en llámines delgaes cuadraes (si ye necesariu) de 200 micrómetros d'espesura, que se llamen «oblees». Dempués del tratamientu pa la inyeición del arriquecíu con dopante (P, As, Sb o B) y llograr asina los semiconductores de siliciu tipu P o N.

Dempués de la corte de les oblees, les mesmes presenten irregularidaes superficiales y defectos de corte, amás de la posibilidá de que tean puerques de polvu o forgaxes del procesu de fabricación. Esta situación puede menguar considerablemente'l rendimientu del panel fotovoltaico asina que se realicen un conxuntu de procesos p'ameyorar les condiciones superficiales de les oblees tales como una llavadura preliminar, la eliminación de defectos por ultrasoníos, el decapado, l'apolazadura o la llimpieza con productos químicos. Pa les celdes con más calidá (monocristal) realízase un tratáu de texturizado pa faer que la oblea absuerba con más eficiencia la radiación solar incidente.

Darréu, les oblees son «metalizadas», un procesu que consiste nel allugamientu d'unes cintes de metal encuallaes na superficie coneutaes a contactos llétricos que son les qu'absuerben la enerxía llétrica que xeneren les uniones P/N por causa de la irradiación solar y tresmitir.

La producción de célules fotovoltaiques rique enerxía, y envalórase qu'un módulu fotovoltaico tien de trabayar alredor de 2 a 3 años^[11] según la so teunoloxía pa producir la enerxía que foi necesaria pa la so producción (módulu de torna d'enerxía).

Les téuniques de fabricación y carauterístiques de los principales tipos de célules describir nos siguientes 3 párrafos. Esisten otros tipos de célules que tán n'estudiu, pero'l so usu ye cuasi insignificante.

Los materiales y procesos de fabricación son oxetu de programes d'investigación ambiciosos p'amenorgar el costu y el recicláu de les célules fotovoltaiques. Les teunoloxíes de película delgada sobre sustratos ensin marcar recibió l'aceptación de la industria más moderno. En 2006 y 2007, la crecedera de la producción mundial de paneles solares viose atrabancáu pola falta de célules de siliciu y los precios nun cayeron tanto como s'esperaba. La industria busca amenorgar la cantidá de siliciu utilizáu. Les célules monocristalinas pasaron de 300 micres d'espesura a 200 y piénsase que van llegar rápido a les 180 y 150 micres, amenorgando la cantidá de siliciu y la enerxía riquida, según tamién el preciu.

Célula de siliciu monocristalino

Célula de siliciu monocristalino

Al esfrecese, el siliciu fundíu se solidifica formando un únicu cristal de grandes dimensiones. Depués córtase'l cristal en delgaes capes que dan llugar a les célules. Estes célules xeneralmente son d'un azul uniforme.

• Ventayes:
  • Bon rendimientu de 14% al 16%^[12]
  • Bona rellación potencia-superficie (~150 Wp/m², lo qu'aforra espaciu en casu necesariu)
  • Númberu de fabricantes eleváu.
• Inconvenientes:
  • Costu más eleváu

Célules de siliciu policristalino

Una célula fotovoltaica basada en siliciu multicristalino.

Mientres l'enfriamientu del siliciu nun molde, fórmense dellos cristales. La fotocélula ye d'aspeutu azuláu, pero nun ye uniforme, estrémense distintos colores creaos polos distintos cristales.

• Ventayes:
  • Célules cuadraes (con cantos arrondaos nel casu de Si monocristalino) que dexa un meyor funcionamientu nun módulu, **

Eficiencia de conversión óptima, alredor de 100 Wp/m², pero un pocu menor que nel monocristalino

• • Lingote más baratu de producir que'l monocristalino.
• Inconveniente
  • So rendimientu en condiciones de llume baxo.

¿Policristalino o multicristalino? Falamos equí de siliciu multicristalino (ref. IEC TS 61836, vocabulariu fotovoltaico internacional ). El términu policristalino utilizar pa les capes depositaes sobre un sustratu (granos pequeños).

Uso

Les célules fotovoltaiques utilícense dacuando soles (llume de xardín, calculadores, etc.) o arrexuntaes en paneles solares fotovoltaicos.

Utilizar pa reemplazar a les bateríes (que la so enerxía ye por enforma la más cara pal usuariu), les célules invadieron el calculadores, relós, aparatos, etc.

Ye posible aumentar el so rangu d'usu almacenándola por aciu un condensador o piles. Cuando s'utiliza con un dispositivu p'almacenar enerxía, ye necesariu asitiar un diodu en serie pa evitar la descarga del sistema mientres la nueche.

Utilizar pa producir lletricidá pa munches aplicaciones (satélites, parquímetros, etc.) y pa l'alimentación de los llares o nuna rede pública nel casu d'una central solar fotovoltaica.

Investigación y desenvolvimientu

Parque fotovoltaico de 19 MW n'Alemaña.

La téunica nun algamó entá'l maduror y tán siendo esploraes munches víes d'investigación. Primero débese amenorgar el costu de la lletricidá producida, y tamién avanzar na resistencia de los materiales, flexibilidá d'usu, facilidá d'integración nos oxetos, na vida, etc.). Toles etapes de los procesos de fabricación pueden ameyorase, por casu:

• La empresa «Evergreen Solar» consiguió realizar el depósitu de siliciu inda líquido nuna película onde se cristaliza direutamente cola espesura precisa de la llámina.
• La empresa "Nanosolar" industrializó la producción de célules CGIS por aciu una téunica d'impresión en continuu, esperando un costu de 1 $/W nel añu 2010.
• Toles compañíes anunciaron socesivos aumentos de la eficiencia de les sos célules.
• El tamañu de les oblees ta creciendo de manera constante, amenorgando'l númberu de manipulaciones
• Trátase d'utilizar meyor toles llonxitúes d'onda del espectru solar (incluyendo'l infrarroxu, lo qu'abre perspeutives interesantes: la conversión direuta de la lluz d'una llapada n'lletricidá, refrigeración).
• Concentradores yá utilizaos nos satélites tán probándose na tierra. Al traviés d'espeyos y lentes enllastraos nel panel, focalizan la radiación na célula fotovoltaica. A finales de 2007, Sharp anunció la disponibilidad d'un sistema d'enfoque hasta 1100 vegaes la radiación solar (contra 700 vegaes pa la marca previa de 2005); a principios de 2008, Sunrgi algamó 1600 vegaes. La concentración dexa menguar la proporción de los grupos de paneles dedicaos a la producción de lletricidá, y polo tanto'l so costu. Per otra parte, estos nuevos materiales soporten perbién la elevada temperatura debío a la concentración del fluxu solar.^[14]
• Ta estudiándose tamién la posibilidá de xunir el siliciu amorfo y el cristalín por heterounión nuna célula solar más simple de más del 20% d'eficiencia. Proyeutu de 2 años anunciáu a principios de 2008, cola participación del Llaboratoriu d'Innovación pa Nueves Teunoloxíes Enerxétiques y Nanomaterials del CEA-Liten y l'empresa coreana JUSUNG (provisor d'equipamientu pa los fabricantes de semiconductores), col INES (Savoya) onde la CEA-Liten concentró les sos actividaes na enerxía solar.
• Otros semiconductores (seleniu;asociación cobre-indiu-seleniu (CIS) de película fina) tán estudiándose por casu en Francia pol institutu d'investigación y desenvolvimientu n'enerxía fotovoltaica (IRDEP).^[15] El CIS paez ufiertar un modestu rendimientu del 12%, pero con baxu costu de fabricación.
• Los compuestos orgánicos de (materies plástiques) tamién pueden ser usaes pa faer célules fotovoltaiques de polímeros, y podría llegar a faese paneles flexibles y llixeros, azulexos, texíos o veles solares, ye d'esperar que de fabricación a baxu costu. Na actualidá los rendimientos son baxos (5% a lo más), según la so vida, y entá queden munchos problemes téunicos por resolver. A principios de 2008, el grupu xaponés Fujikura anunciaba^[16]poner a prueba (1000 hores a 85 °C y con una mugor del 85%) unes célules fotovoltaiques orgániques de tipu Grätzel non solo más resistente, sinón que'l so rendimientu ameyoró del 50 al 70% con una superficie rugosa que distribúi al azar la lluz reflexada dientro de la célula onde se lliberar de nuevu les cargues llétriques por aciu l'activación d'otros pigmentos fotosensibles.
• Un equipu d'EE.XX. de Boston College en Chestnut Hill (Massachusetts) desenvolvió paneles solares capaces de recuperar l'espectru infrarroxu y convertilo n'lletricidá. Esto dexaría la producción de lletricidá a partir de cualquier fonte de calor, inclusive pela nueche.^[17] Hasta agora, solo una parte de la radiación de la lluz visible, predominantemente verde y azul, tresformar n'lletricidá y la radiación infrarroxo utilizar nos paneles térmicos pa calecer l'agua.
• Coles mesmes, pretende fabricase célules tresparentes; modelos impulsaos pol Institutu alemán Fraunhofer pa la Mecánica de Materiales (IWM; proyeutu "METCO"^[18]suxuren que les célules tresparentes bicapa podríen dalgún día ser producíes industrialmente. los semiconductores de tipu p tresparentes paecen más difíciles de producir (el fósforu podría ser un dopante-P del óxidu de cinc, pero'l nitróxenu paez ser más prometedor).^[19]
• A lo último, la escasez de productos dopantes (el preciu del indiu multiplicóse por diez dende 2002 hasta 2009 tres el so rarefacción) aumenta entá más los incentivu pa la innovación d'un mercáu en fuerte crecedera que paez enorme, sobremanera si puede amenorgase el costu de la lletricidá y averalo al de los combustibles fósiles.

Los trés xeneraciones de célules fotoeléctriques

Les célules fotoeléctriques clasificar en tres generación qu'indiquen l'orde d'importancia y relevancia que tuvieron históricamente. Nel presente hai investigación nos trés xeneraciones ente que les teunoloxíes de la primer xeneración son les que más tán representaes na producción comercial col 89.6% de producción en 2007.

Eficiencia

El récor d'eficiencia, ensin concentración solar, ta anguaño establecíu nel 45%.^[28] En concentrada, el Massachusetts Institute of Technology tán probando célules solares que pueden superar la eficiencia del 80% y que tán compuestes d'una capa de nanotubos de carbonu con cristales fotónicos, pa crear un “absorbedor-emisor”.^[29][30]

Ver tamién

• Materiales semiconductores (Grupu III-V).
• Cronoloxía del desenvolvimientu de les célules solares
• Calentador solar
• Colector solar
• Concentrador solar
• Efeutu fotoeléctricu
• Electrónica d'estáu sólidu
• Enerxía solar fotovoltaica
• Enerxía solar
• Fotodiodu
• Fotoresistencia
• Panel solar
• Panel fotovoltaico
• Película fina
• Semiconductor

Notes

Referencies

Enllaces esternos

• Wikimedia Commons tien conteníu multimedia tocante a Célula fotollétrica.
• Récor Mundial de 41.1% d'eficiencia nuna célula fotovoltaica
• Fotovoltaica Molecular (n'inglés)