Comprendiendo el concepto y uso de las células y módulos solares

El material más común en la producción de células solares es el silicio purificado que puede aplicarse de diferentes maneras.

Células fotovoltaicas de silicio monocristalino (FV)

Las células fotovoltaicas de silicio monocristalino se fabrican a partir de obleas de silicio cortadas de lingotes cilíndricos de silicio monocristalino. Las células rotundas tienen que cortarse para formar células casi cuadradas, que pueden integrarse fácilmente en un módulo.

Por tanto, en el proceso de producción de las células se desperdicia silicio refinado.

El material cortado que se genera durante el proceso de escuadrado suele reciclarse en la fabricación de obleas multicristalinas o como material de entrada para la producción de polisilicio debido al mayor coste de limpieza para la alimentación directa en el proceso de cristalización CZ-mono.

El silicio monocristalino presenta un comportamiento predecible y uniforme, pero, debido a los cuidadosos y lentos procesos de fabricación que requiere, es también el tipo de silicio más caro.

La lentitud del proceso y el mayor consumo de energía en el proceso de cristalización CZ se compensan con la ventaja de cortar obleas más finas en el proceso de corte con hilo de diamante.

Como el material de la oblea multicristalina generará una mayor rotura de la célula por debajo de 180 micras en el proceso de la célula, la oblea monocristalina puede ser tan fina como 120-160 micras.

Los módulos compuestos por células fotovoltaicas de silicio monocristalino alcanzan eficiencias comerciales de entre el 15 y el 18 %. Hasta ahora, son los módulos más eficientes y, con cerca del 85% en 2010, tienen la mayor cuota de mercado. Sin embargo, otras alternativas están desafiando esta tecnología.

Células fotovoltaicas de silicio policristalino (FV)

Las células fotovoltaicas de silicio policristalino o multicristalino se fabrican a partir de lingotes cuadrados fundidos -grandes bloques de silicio fundido-, cuidadosamente enfriados y solidificados. Su producción es menos costosa que la de las células fotovoltaicas de silicio monocristalino, pero son marginalmente menos eficientes, con eficiencias de conversión de los módulos de entre 13 y 16.

Células fotovoltaicas de capa fina (FV)

Las diversas tecnologías de capa fina que se están desarrollando actualmente reducen la cantidad (o la masa) de material absorbente de la luz necesaria para crear una célula solar. Esto puede suponer una reducción de los costes de procesamiento con respecto a los materiales a granel (en el caso de las películas finas de silicio), pero también tiende a reducir la eficiencia de conversión de energía (una eficiencia media del módulo del 6 al 12 %).

Las células fotovoltaicas de película fina se construyen depositando capas extremadamente finas de materiales semiconductores fotovoltaicos sobre un material de soporte como el vidrio, el acero inoxidable o el plástico. Los materiales de película fina que se utilizan comercialmente son el silicio amorfo (a-Si), el teluro de cadmio (CdTe) y el diselenuro de cobre e indio (galio) (CI(G)S).

Módulos de película fina:

• Son potencialmente más baratos de fabricar que las células cristalinas
• Tienen un mayor atractivo para el cliente como elementos de diseño debido a su aspecto homogéneo
• Presentan desventajas, como la baja eficiencia de conversión y la necesidad de mayores superficies de conjuntos fotovoltaicos y más material (cables, estructuras de soporte) para producir la misma cantidad de electricidad

Células solares de tercera generación

Actualmente existen células solares basadas en diferentes tecnologías nuevas en vías de maduración en el mercado, como por ejemplo las células de alta eficiencia:

Células solares de película fina III-V:

• nión de los semiconductores del tercer y quinto grupo de la tabla periódica.
• Eficiencia del 20-25%.
• Una variedad de combinaciones posibles que aumentan el precio a la vez que la eficiencia
• Conexión más común: arseniuro de galio (GaAs),
• Aplicación: Alimentación de satélites

Película fina multipuesta:

• “Apilamiento” de células solares III-V o de células de silicio
• Eficiencia de hasta aproximadamente el 37% – Cada célula absorbe una determinada longitud de onda, y entonces la pila puede absorber más del espectro solar
• El material de la célula superior tiene la mayor brecha de banda y cubre la mayor área de absorción. Las células subyacentes absorben la sección del espectro solar con menores longitudes de onda.
• Conexión en serie de las células subyacentes
• Otras denominaciones para las células solares de pila múltiple (según el número de capas) son: Células en tándem, triples o en cascada múltiple.

Fotovoltaica de concentración

La fotovoltaica de concentración (CPV) se basa en lentes o espejos que enfocan la luz solar directa sobre las células solares. Estas células están formadas por una pequeña cantidad de material fotovoltaico muy eficiente, pero caro (silicio o compuestos III-V, generalmente arseniuro de galio o GaA).
En la actualidad, las intensidades de concentración varían entre un factor de 2 a 100 soles (baja concentración) y 1000 soles (alta concentración). Las eficiencias de los módulos comerciales se sitúan entre el 20 y el 25 por ciento, aunque con el arseniuro de galio se han podido alcanzar eficiencias del 25 al 30 por ciento. El Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme (Alemania) ha logrado una eficiencia del 41,1% en laboratorio (intensidad de concentración: 450 soles).

Los módulos de concentración solar se montan en un sistema de seguimiento de 2 ejes. En el caso de la fotovoltaica de baja concentración existen sistemas de seguimiento de 1 eje y lentes menos complejos.

Células solares orgánicas

Células solares híbridas sensibilizadas por colorantes:

En lugar de material semiconductor, las células solares híbridas sensibilizadas por colorantes utilizan un colorante orgánico para la absorción de la luz. La simple serigrafía permite reducir los costes de producción y ofrece diferentes posibilidades de diseño, como la aplicación en fachadas o en publicidad. Las células solares híbridas sensibilizadas por colorante pueden utilizar la luz solar difusa. Las eficiencias medias varían del 2 al 4%.

Células solares totalmente orgánicas:

Las células solares orgánicas se encuentran todavía en una fase temprana de desarrollo. Estas células están formadas por compuestos orgánicos de hidrocarburos y una estructura especial de electrones, y son capaces de generar electricidad en láminas y tejidos. En la actualidad, la eficiencia media de las células oscila entre el 3 y el 5 por ciento.

El menor consumo de material y las tecnologías de producción más eficientes suponen un alto potencial de producción rentable. Sin embargo, todavía es necesario realizar actividades de investigación, ya que la vida útil es muy corta.

Módulos solares

Para casi todas las aplicaciones, el medio voltio producido por una sola célula es insuficiente. Por ello, las células se conectan en serie para aumentar la tensión. Varias de estas series de células pueden conectarse en paralelo para aumentar la corriente.

Para poder utilizar las células conectadas en aplicaciones prácticas, éstas deben estar:

• Protegidas de los daños mecánicos durante la fabricación, el transporte y la instalación y el uso (en particular contra el impacto del granizo, el viento, la arena y las cargas de nieve). Esto es especialmente importante en el caso de las células de silicio basadas en obleas, que son frágiles.
• Protegidas de la humedad, que corroe los contactos metálicos y las interconexiones (y, en el caso de las células de película fina, la capa de óxido conductor transparente), lo que reduce el rendimiento y la vida útil.

Por lo tanto, las células interconectadas y sus conexiones eléctricas están intercaladas entre una capa superior de vidrio o plástico transparente y una inferior de plástico o plástico y metal. Se coloca un marco exterior para aumentar la resistencia mecánica y proporcionar una forma de montar la unidad. Este conjunto se denomina “módulo” o “panel”. Normalmente, un módulo es el elemento básico de los sistemas fotovoltaicos.

La potencia máxima de un módulo solar depende del número de células conectadas y de su tamaño. El rendimiento de los módulos se evalúa generalmente en condiciones de prueba estándar (STC): irradiación de 1.000 W/m², espectro solar de AM 1,5 y temperatura del módulo a 25°C. Los módulos solares se clasifican en vatios pico [Wp] según su rendimiento en STC. Así, un módulo de 50 Wp puede suministrar 50 W de potencia en condiciones óptimas. El rendimiento se reduce con las altas temperaturas.

Al igual que las células solares, los módulos pueden conectarse en serie y/o en paralelo para aumentar la tensión y/o la corriente en función de las necesidades del sistema.

Comparación de los distintos tipos de módulos fotovoltaicos

Comparación de los distintos tipos de módulos fotovoltaicos

Material de la célula	Eficiencia del módulo	Surface area needed for 1 kWp	Ventajas	Desventajas
Silicio monocristalino	15-18 %	7-9 m²	– módulos fotovoltaicos más eficientes – fácilmente disponibles en el mercado – altamente estandarizados	– más caro – desperdicio de silicio en el proceso de producción
Silicio policristalino	13-16 %	8-9 m²	– se necesita menos energía y tiempo para la producción que en el caso de las células monocristalinas (= menores costes) – fácilmente disponibles en el mercado – altamente estandarizado	– ligeramente menos eficientes que los módulos de silicio monocristalino
Micromorfo en tándem (aµ-Si)	6-9 %	9-12 m²		– más espacio para la misma producción necesaria
Película fina: Diseleniuro de cobre e indio (CIS)	10-12 %	9-11 m²	– las temperaturas más altas y el sombreado tienen un menor impacto en el rendimiento – menores costes de producción	– más espacio para la misma producción necesaria
Película fina: Telururo de cadmio (CdTe)	9-11 %	11-13 m²	– las temperaturas más altas y el sombreado tienen un menor impacto en el rendimiento – mayor potencial de reducción de costes	– más espacio para la misma producción necesaria
Película fina: Silicio amorfo (a-Si)	6-8 %	13-20 m²	– las temperaturas más altas y el sombreado tienen un menor impacto en el rendimiento – se necesita menos silicio para la producción	– más espacio para la misma producción necesaria

Debido a su alta eficiencia, penetración en el mercado y estandarización, los módulos de silicio monocristalino y policristalino son los más utilizados en los sistemas solares domésticos. Sin embargo, la cuota de mercado de los módulos de capa fina está creciendo, especialmente en los sistemas fotovoltaicos independientes e integrados en edificios.