Fuente: www.energy.gov
Cuando la luz brilla en una célula fotovoltaica (PV), también llamada célula solar, esa luz puede reflejarse, absorberse o pasar directamente a través de la célula. La célula fotovoltaica se compone de material semiconductor; el "semi" significa que puede conducir la electricidad mejor que un aislante, pero no tan bien como un buen conductor como un metal. Hay varios materiales semiconductores diferentes utilizados en las células fotovoltaicas.
Cuando el semiconductor se expone a la luz, absorbe la energía de la luz y la transfiere a partículas cargadas negativamente en el material llamado electrones. Esta energía extra permite que los electrones fluyan a través del material como una corriente eléctrica. Esta corriente se extrae a través de contactos metálicos conductores , las líneas de red en una célula solar , y luego se puede utilizar para alimentar su hogar y el resto de la red eléctrica.
La eficiencia de una célula fotovoltaica es simplemente la cantidad de energía eléctrica que sale de la célula en comparación con la energía de la luz que brilla en ella, lo que indica qué tan efectiva es la célula para convertir la energía de una forma a la otra. La cantidad de electricidad producida a partir de células fotovoltaicas depende de las características (como la intensidad y las longitudes de onda) de la luz disponible y de los múltiples atributos de rendimiento de la célula.
Una propiedad importante de los semiconductores fotovoltaicos es el bandgap, que indica qué longitudes de onda de la luz puede absorber el material y convertir en energía eléctrica. Si el bandgap del semiconductor coincide con las longitudes de onda de la luz que brilla en la célula fotovoltaica, entonces esa célula puede hacer un uso eficiente de toda la energía disponible.
Obtenga más información a continuación sobre los materiales semiconductores más utilizados para células fotovoltaicas.
silicio
El silicio es, con mucho, el material semiconductor más común utilizado en las células solares, representando aproximadamente el 95% de los módulos vendidos hoy en día. También es el segundo material más abundante en la Tierra (después del oxígeno) y el semiconductor más común utilizado en chips de computadora. Las células de silicio cristalino están hechas de átomos de silicio conectados entre sí para formar una red cristalina. Esta red proporciona una estructura organizada que hace que la conversión de la luz en electricidad sea más eficiente.
Las células solares hechas de silicio actualmente proporcionan una combinación de alta eficiencia, bajo costo y larga vida útil. Se espera que los módulos duren 25 años o más, todavía produciendo más del 80% de su potencia original después de este tiempo.
FOTOVOLTAICOS DE PELÍCULA DELGADA
Una célula solar de película delgada se hace depositando una o más capas delgadas de material fotovoltaico en un material de soporte como vidrio, plástico o metal. Hay dos tipos principales de semiconductores fotovoltaicos de película delgada en el mercado hoy en día: telururo de cadmio (CdTe) y diselenuro de galio de indio de cobre (CIGS). Ambos materiales se pueden depositar directamente en la parte delantera o posterior de la superficie del módulo.
CdTe es el segundo material fotovoltaico más común después del silicio, y las células CdTe se pueden fabricar utilizando procesos de fabricación de bajo costo. Si bien esto los convierte en una alternativa rentable, sus eficiencias aún no son tan altas como el silicio. Las células CIGS tienen propiedades óptimas para un material fotovoltaico y altas eficiencias en el laboratorio, pero la complejidad involucrada en la combinación de cuatro elementos hace que la transición del laboratorio a la fabricación sea más difícil. Tanto CdTe como CIGS requieren más protección que el silicio para permitir un funcionamiento duradero al aire libre.
PEROVSKITA FOTOVOLTAICA
Las células solares de perovskita son un tipo de célula de película delgada y reciben su nombre de su característica estructura cristalina. Las células de perovskita se construyen con capas de materiales que se imprimen, recubren o depositan al vacío en una capa de soporte subyacente, conocida como lasustrato.Por lo general, son fáciles de ensamblar y pueden alcanzar eficiencias similares al silicio cristalino. En el laboratorio, las eficiencias de las células solares de perovskita han mejorado más rápido que cualquier otro material fotovoltaico, del 3% en 2009 a más del 25% en 2020. Para ser comercialmente viables, las células fotovoltaicas de perovskita tienen que volverse lo suficientemente estables como para sobrevivir 20 años al aire libre, por lo que los investigadores están trabajando para hacerlas más duraderas y desarrollar técnicas de fabricación a gran escala y de bajo costo.
FOTOVOLTAICA ORGÁNICA
Las células fotovoltaicas orgánicas, u OPV, se componen de compuestos ricos en carbono (orgánicos) y se pueden adaptar para mejorar una función específica de la célula fotovoltaica, como bandgap, transparencia o color. Las células OPV son actualmente solo la mitad de eficientes que las células de silicio cristalino y tienen vidas operativas más cortas, pero podrían ser menos costosas de fabricar en grandes volúmenes. También se pueden aplicar a una variedad de materiales de soporte, como el plástico flexible, lo que hace que OPV pueda servir a una amplia variedad de usos.
PUNTOS CUÁNTICOS
Las células solares de puntos cuánticos conducen electricidad a través de diminutas partículas de diferentes materiales semiconductores de solo unos pocos nanómetros de ancho, llamados puntos cuánticos. Los puntos cuánticos proporcionan una nueva forma de procesar materiales semiconductores, pero es difícil crear una conexión eléctrica entre ellos, por lo que actualmente no son muy eficientes. Sin embargo, son fáciles de convertir en células solares. Se pueden depositar en un sustrato utilizando un método de recubrimiento girado, un aerosol o impresoras de rollo a rollo como las que se utilizan para imprimir periódicos.
Los puntos cuánticos vienen en varios tamaños y su bandgap es personalizable, lo que les permite recolectar luz que es difícil de capturar y emparejarse con otros semiconductores, como las perovskitas, para optimizar el rendimiento de una célula solar de multijunción (más sobre los que se muestran a continuación).
FOTOVOLTAICA MULTIJUNCIÓN
Otra estrategia para mejorar la eficiencia de las células fotovoltaicas es la estratificación de múltiples semiconductores para hacer células solares multiyjunción. Estas células son esencialmente pilas de diferentes materiales semiconductores, a diferencia de las células de unión única, que tienen un solo semiconductor. Cada capa tiene un bandgap diferente, por lo que cada una absorbe una parte diferente del espectro solar, haciendo un mayor uso de la luz solar que las células de una sola unión. Las células solares multiyjunción pueden alcanzar niveles de eficiencia récord porque la luz que no es absorbida por la primera capa de semiconductores es capturada por una capa debajo de ella.
Mientras que todas las células solares con más de un bandgap son células solares multijunción, una célula solar con exactamente dos bandgaps se llama célula solar en tándem. Las células solares multijunción que combinan semiconductores de las columnas III y V de la tabla periódica se denominan células solares multijunción III-V.
Las células solares multijunción han demostrado eficiencias superiores al 45%, pero son costosas y difíciles de fabricar, por lo que están reservadas para la exploración espacial. El ejército está utilizando células solares III-V en drones, y los investigadores están explorando otros usos para ellos donde la alta eficiencia es clave.
CONCENTRACIÓN FOTOVOLTAICA
La concentración fotovoltaica, también conocida como CPV, enfoca la luz solar en una célula solar mediante el uso de un espejo o lente. Al enfocar la luz solar en un área pequeña, se requiere menos material fotovoltaico. Los materiales fotovoltaicos se vuelven más eficientes a medida que la luz se vuelve más concentrada, por lo que las mayores eficiencias generales se obtienen con las células y módulos CPV. Sin embargo, se requieren materiales más caros, técnicas de fabricación y capacidad para rastrear el movimiento del sol, por lo que demostrar la ventaja de costos necesaria sobre los módulos de silicio de alto volumen de hoy en día se ha convertido en un desafío.