POR:Ana Rosa Lagunas Alonso
Opciones tecnológicas y tendencias para captar la energía que proviene del sol

¿Qué pueden tener en común vehículos para exploración extraterrestre, una mochila para acampar, una calculadora y el alumbrado en una carretera? Una tecnología que empezó en parte gracias a la carrera espacial, ahora es un mercado prometedor y competido que busca principalmente dos cosas: lograr una tecnología de bajo costo y aumentar cada vez la eficiencia de sus productos.

Un poco de historia

El efecto fotovoltaico fue descubierto por Becquerel en 1876 e interpretado en base a la teoría de los cuantos de Max Plank.1 Esencialmente, la radiación luminosa (fotones o cuantos de luz) incidente sobre los materiales semiconductores tiene la capacidad de arrancar electrones de la banda de valencia y desplazarlos a la banda de conducción produciendo una separación efectiva de cargas positivas y negativas en el material, y por lo tanto, una diferencia de potencial. Si en este caso se agrega una estructura de metalización capaz de extraer dichas cargas, obtenemos un dispositivo que al ser iluminado por la luz se comporta como una batería, con capacidad de generar corriente continua a través de un circuito externo, es decir, se consigue generar electricidad directamente a partir de la radiación incidente.

El elemento básico así definido, con capacidad de realizar esa separación de cargas al recibir la radiación solar, se llama célula fotovoltaica. Hay muchos tipos de células fotovoltaicas, y dependiendo de su tamaño y tecnología pueden generar, cuando reciben radiación, desde unos pocos milivatios hasta 3 o 4 vatios cada una. Las células más abundantes en el mercado actual son las basadas en el material de silicio, pero también existen células fabricadas a partir de materiales compuestos de Selenio, Cobre, Indio, Teluro, Cadmio, Azufre, Arsénico, Galio, Fósforo y también de materiales orgánicos.

Cuando nos planteamos las posibilidades de utilización de la energía solar fotovoltaica, debemos partir del recurso solar existente. El modo habitual de establecer la capacidad de generación eléctrica de los módulos fotovoltaicos, es decir, de determinar su potencia, es medir su curva característica Corriente/Tensión a 1000W/m2 de irradiancia y 25ºC. El valor de potencia así obtenido está relacionado con las características de eficiencia de la tecnología y nos da el porcentaje de radiación solar incidente en el módulo que se convierte directamente en electricidad.

Esquema-celda-solar

Las principales tecnologías 

La más extendida, que corresponde a un 85% aproximadamente de la producción mundial de tecnologías fotovoltaicas de 2013, es la basada en “silicio cristalino a partir de oblea” (c-Si). Para los productos de esta tecnología, se fabrican las células de silicio cristalino individuales y se conectan unas con otras y encapsulan formando los módulos fotovoltaicos. La eficiencia media de los módulos fotovoltaicos comerciales de esta tecnología está en el 18%, aunque el record en laboratorio alcanza el 27,6% y teóricamente se puede llegar hasta un 29%.

La “tecnología de lámina delgada” es la segunda en producción en el mundo, un 15% aproximadamente de la producción de 2013. En este caso, las células fotovoltaicas se fabrican depositando sobre un sustrato únicamente la cantidad necesaria del material absorbente, normalmente espesores de milésimas de milímetro, de ahí la denominación de lámina delgada. El sustrato con las células es posteriormente encapsulado como módulo. Existen productos de estas tecnologías obtenidos sobre sustratos flexibles, curvados, transparentes.

Dependiendo del material absorbente que se utiliza hay distintas tecnologías de lámina delgada, siendo la de mayor nivel de producción a nivel mundial la de CdTe (Telururo de Cadmio), seguida en 2013 de la tecnología basada en lámina delgada de Silicio amorfo o microcristalino y en tercer lugar la de Seleniuro de Cobre Indio (CIS o CIGS según nomenclatura inglesa). La eficiencia de los productos de estas tecnologías está entre el 10% y el 13%, pero las células record se aproximan al 20% en algunos casos.

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Produccion-celdas

Aplicaciones

Para la utilización habitual, las células fotovoltaicas se asocian formando módulos fotovoltaicos. Podemos construir generadores eléctricos mediante componentes fotovoltaicos desde muy poca potencia con células individuales (pocos vatios), pasando por módulos (cientos de vatios) hasta asociaciones de módulos fotovoltaicos formando grandes plantas multimegavatio para generación de electricidad. Se puede usar en alumbrado público, señales de tráfico en las autopistas, alimentación eléctrica para viviendas o bombeo de agua en pozos en zonas aisladas de la red hasta grandes plantas generadoras conectadas a la red eléctrica de distribución para proporcionar electricidad a ciudades o industrias.

En el ámbito urbano también juega un papel esencial cuando puede estar integrada en los edificios, no solo “añadida” sobre el tejado, sino “integrada”, formando parte de los elementos arquitectónicos (pérgolas, parasoles, muros fachadas y otras utilizaciones posibles).

El desarrollo desde sus inicios de esta tecnología fue también debido en parte a la utilización para el avance de la carrera espacial. Ha tenido usos en satélites, incluidos los de comunicaciones; vehículos para exploración de cuerpos extraterrestres, y la propia estación espacial internacional utilizan módulos fotovoltaicos para proveerse de energía eléctrica.

Fabricantes-celdas

Tendencias

Entre las tecnologías que están entrando últimamente en el mercado está la tecnología de fotovoltaica de concentración (CPV según las siglas inglesas Concentration Photovoltaics). En este caso, se utilizan medios ópticos que permiten captar irradiación de una cierta superficie y concentrarla sobre las células fotovoltaicas, mucho más pequeñas. Las células fotovoltaicas utilizadas en este tipo de módulos son distintas de las descritas anteriormente y están obtenidas a partir de multiuniones de células con capacidad de absorción de distintos rangos del espectro solar. La eficiencia de los productos comerciales de estas tecnologías ronda el 31%, y la célula record de laboratorio alcanza el 44%, existiendo un límite teórico por encima del 60%.

Debido a la óptica de concentración, los módulos de las tecnologías de CPV necesitan seguimiento solar de precisión dependiendo de las características de los componentes ópticos para la concentración de la luz.

Finalmente, y con fabricantes que están en la actualidad desarrollando líneas piloto o en pre-producción están las tecnologías basadas en materiales absorbentes orgánicos o híbridos orgánico-inorgánico. Son tecnologías prometedoras que tienen como característica principal su esperado bajo coste de fabricación, aunque los valores de eficiencia también son más bajos que los de otras tecnologías y no se ha resuelto todavía en algún caso el problema de su degradación en el ambiente exterior. Es en esta tecnología donde se concentra en la actualidad el mayor número de patentes presentadas.

Eficiencia-celdas

No obstante, más allá del interés científico de los nuevos desarrollos, la valoración de las posibilidades de la energía solar fotovoltaica debe venir definida por el coste de la energía eléctrica generada a través de dicho medio. Hay variados parámetros que deben entrar en la ecuación que nos va a permitir establecer y evaluar dicho coste. Es importante la eficiencia de los dispositivos fotovoltaicos, el coste de los materiales, la duración de los productos, la elección de la tecnología más adecuada para cada ubicación geográfica o condiciones climáticas específicas. También han de entrar en la ecuación las posibilidades de aplicaciones variadas y de alto valor añadido.

Todos estos parámetros pueden conjugarse para una aplicación óptima, pero, en cualquier caso, allá donde exista una fuente de radiación, podremos, fácilmente, obtener electricidad mediante los componentes fotovoltaicos.

  1. Nobel de Física en 1918 por la teoría de los cuantos de luz
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