La estructura y función de la célula solar se basan en la física elemental. Sin embargo, no es necesario ser físico para comprender el principio de funcionamiento. Con la ayuda de una representación pictórica de la estructura de una celda, tratamos de explicarle de una manera comprensible lo que sucede en ella y cómo se genera finalmente la electricidad a partir del sol.

Los sistemas fotovoltaicos a menudo también se denominan sistemas solares, aunque esta es una designación poco específica. Porque el grupo de sistemas solares incluye tanto sistemas fotovoltaicos como solares térmicos. Ambos tipos de sistemas captan la energía del sol. La principal diferencia entre los sistemas solares térmicos y fotovoltaicos es si la energía solar se convierte en electricidad o en calor.

¿Qué es una celda solar?

 

La energía fotovoltaica describe la conversión directa de la radiación solar, los llamados fotones, en electricidad. Las células solares, que forman el componente más pequeño de un sistema, son responsables de la conversión. Las células solares más comunes consisten en el material semiconductor silicio (arena de cuarzo). Una propiedad de los semiconductores es que han mejorado la conductividad mediante el suministro de energía; en la energía fotovoltaica, este suministro de energía es la luz.

¿Cómo se puede explicar de forma sencilla el funcionamiento de una célula solar?

La celda solar funciona de una manera relativamente simple: cuando la luz del sol incide sobre la celda solar, los electrones de la celda se excitan y hacen que se muevan. Dentro de la celda, hay una interacción entre la luz solar entrante y el semiconductor dopado de la celda solar. Esto libera portadores de carga eléctrica, los llamados electrones. Esto hace que fluya la corriente, que se disipa a través de contactos metálicos a ambos lados de la celda. La electricidad generada de esta manera se transporta luego a la casa a través de un cable de alimentación.

¿Quién inventó la celda solar?

En el siglo XIX, el científico francés Alexandre Edmond Becquerel descubrió que las baterías duran más y producen más energía cuando se exponen a la luz solar. En 1893, a partir de sus investigaciones, se construyó la primera celda solar que generaba electricidad a partir del sol.

¿Cómo se construye una celda solar?

La estructura de una célula solar de silicio consta de tres capas. Los componentes principales son dos capas de silicio dopadas de forma diferente:

  • Capa n-dopada: Algo de fósforo se mezcla en esta capa, haciéndola negativa (electrones libres)
  • capa dopada p: algo de boro se mezcla en esta capa, lo que la hace positiva (electrones faltantes)

Hay una capa límite entre las dos capas, que las cargas liberadas solo pueden pasar por medio de la luz solar. En este núcleo de la celda solar, el movimiento de los electrones crea un campo eléctrico, que también se conoce como unión pn.

 

¿Qué sucede en la celda solar?

Los rayos del sol contienen portadores de energía microscópicos, los llamados fotones, que golpean la superficie de la célula. El silicio semiconductor utilizado reacciona a los rayos del sol liberando electrones. En estos lugares, quedan agujeros cargados positivamente. Dependiendo de sus cargas, los electrones se mueven hacia el electrodo negativo o positivo. A medida que los electrones se mueven hacia la parte superior del silicio, los agujeros se mueven hacia el fondo. Las cargas fluyen hacia arriba a través de las capas de metal conductor y así llegan al consumidor donde se necesita la energía, como una bombilla, un PC o la red eléctrica. Luego, el circuito se cierra cuando los electrones migran de regreso a la capa con los electrones faltantes.

Para poder utilizar la electricidad generada, es necesario aplicar contactos metálicos en la parte delantera y trasera y conectarlos con un cable. Para este propósito, se aplica una capa de contacto completa en la parte posterior. Estos desvían los electrones y hacen que fluyan por un cable, creando un circuito eléctrico. Por otro lado, los contactos se aplican al frente en forma de una fina rejilla para que la luz pueda caer sobre la superficie.

¿Qué tipos de celdas solares hay?

Las células solares se encuentran entre los componentes más importantes de un sistema fotovoltaico. Determinan en gran medida qué tan altos son los costos de adquisición del sistema fotovoltaico y cuánta electricidad se puede generar. Actualmente existen tres tipos diferentes de células solares que son de interés para los usuarios privados. Cada tipo tiene diferentes propiedades, así como ventajas y desventajas; aquí debe decidir por sí mismo cuál se adapta mejor a usted y sus requisitos.

1.) Célula solar monocristalina

 

Este tipo de celda solar consiste en silicio monocristalino. Durante la producción, las varillas monocristalinas se extraen del silicio líquido y luego se cortan en varillas delgadas, que también se denominan «obleas». En comparación con las células policristalinas, este tipo de células tiene una proporción muy alta de silicio y, con una eficiencia de alrededor del 20 por ciento, es la célula solar más eficaz bajo la luz solar directa. Sin embargo, debido a la compleja producción, los módulos monocristalinos son comparativamente caros.

2.) Célula solar policristalina

 

Este tipo de celda está hecha de silicio, al igual que las células monocristalinas, aunque el silicio no es tan puro. Primero, se moldea un bloque de silicio, que luego se enfría para que el silicio líquido se solidifique. Esto crea estructuras cristalinas de diferentes tamaños. De esto se cortan rebanadas finas: cada rebanada es una célula solar policristalina.

La producción de módulos es menos compleja y, debido a la forma cuadrada de la celda, hay pocos desperdicios. Por este motivo, las células policristalinas son más baratas y también mejores para el equilibrio medioambiental del sistema fotovoltaico, ya que no se requiere tanta energía para su producción. Por lo tanto, estas células solares a menudo se consideran las que tienen la mejor relación precio-rendimiento. Sin embargo, la eficiencia es más baja, alrededor del 15 por ciento, porque se usa menos silicio puro.

3.) células de película delgada

 

Este tipo es uno de los amorfos, es decir, células solares no cristalinas. Las celdas de película delgada también están hechas de silicio, que se mezcla con otros materiales y se evapora en una capa muy delgada sobre un sustrato como el vidrio. La eficiencia es solo del cinco al siete por ciento y, por lo tanto, debe compensarse con un área de módulo más grande. Dependiendo del material de soporte, las celdas son muy flexibles e incluso se pueden enrollar y plegar. En principio, cualquier forma se puede realizar de esta manera. El proceso de producción es relativamente sencillo, lo que significa que se pueden producir grandes cantidades a escala industrial. Esto hace que estas células sean más baratas que las células cristalinas (células de película gruesa).

Nuevos desarrollos

El desarrollo del uso de semiconductores orgánicos en lugar de los cristalinos es relativamente nuevo. Estos son módulos de película delgada hechos de plásticos orgánicos. El término «orgánico» significa que las moléculas solo contienen carbono. La ventaja es que son baratos, fáciles de trabajar y se pueden hacer en cualquier forma. La eficiencia de una celda solar orgánica aún es baja, pero una mayor investigación sobre el material puede mejorarla aún más. Las desventajas asociadas con la baja eficiencia se pueden compensar por el hecho de que el área utilizable es significativamente mayor que para las células solares cristalinas. Porque se pueden pegar fácilmente a cualquier pared, ventana, techo o parasol.

¿Cuánto cuesta una celda solar?

El costo de una celda solar siempre depende del tipo y el área elegida. Cualquiera que sea el tipo de células solares y, por lo tanto, también el sistema fotovoltaico que elija, la compra siempre está asociada con una inversión.