Energía fotoeléctrica

Energía fotovoltaica
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Concepto:fabricación de celdas fotovoltaicas con Silicio monocristalino.

Energía fotovoltaica Los sistemas fotovoltaicos transforman la luz solar en energía eléctrica, una partícula luminosa con energía (fotón) se convierte en una energía electromotriz (voltaica), de ahí su nombre, fotovoltaico. Se conocen diferentes técnicas para la fabricación de celdas fotovoltaicas, pero a continuación detallaremos las más utilizadas.

Celdas de silicio amorfo

El silicio durante su transformación, produce un gas que se proyecta sobre una lámina de vidrio. La celda es gris muy oscuro. Es la célula de las calculadoras y relojes llamados de «solares». Estás células fueron las primeras en ser manufacturadas, ya que se podían emplear los mismos métodos de fabricación de diodos.

Ventajas

  • Funciona con una luz difusa baja (incluso en días nublados),
  • Un poco menos costosa que otras tecnologías,
  • Integración sobre soporte flexible o rígido.

Inconvenientes

  • Rendimiento a pleno sol bajo, del 5% al 7%,
  • Rendimiento decreciente con el tiempo (~7%).

Celdas de silicio monocristalino

Al enfriarse, el silicio fundido se solidifica formando solo un único cristal de grandes dimensiones . Luego se corta el cristal en delgadas capas que dan lugar a las células. Estas células generalmente son un azul uniforme.

Ventajas

  • Buen rendimiento de 14% al 16%
  • Buena relación Wp m² (~150 WC/m², lo que ahorra espacio en caso necesario
  • Número de fabricantes elevado.

Inconvenientes

  • Coste elevado

Celdas de silicio multicristalino

Técnica de fabricaci'on de celtas fotovoltaicas con Silicio Multicristalino

Durante el enfriamiento de silicio en un molde se forman varios cristales. La fotocélula es de aspecto azulado, pero no es uniforme, se distinguen diferentes colores creados por los diferentes cristales.

Ventajas

  • Celdas cuadradas (con bordes redondeados en el caso de Si monocristalino) que permite un mejor funcionamiento en un módulo,
  • Eficiencia de conversión óptima, alrededor de 100 Wp/m², pero un poco menor que en el monocristalino
  • Lingote más barato de producir que el monocristalino.

Inconveniente

  • Bajo rendimiento en condiciones de iluminación baja.

¿Policristalino o multicristalino? Hablamos aquí de silicio muticristalino (réf. IEC TS 61836, vocabulario fotovoltaico internacional). El término policristalino se utiliza para las capas depositadas sobre un sustrato (granos pequeños).

Celdas Tándem

Apilamiento monolítico de dos células individuales. Mediante la combinación de dos células (capa delgada de silicio amorfo sobre silicio cristalino, por ejemplo) que absorben en el espectro al mismo tiempo se solapan, mejorando el rendimiento en comparación con las células individuales separadas, sean amorfas, cristalinas o microcristalinas.

Ventajas

  • Alta sensibilidad en un amplio rango de longitudes de onda. Excelente rendimiento.

Inconveniente

  • El costo es alto debido a la superposición de dos células.

Celdas multiunión

Estas células tienen una alta eficiencia y han sido desarrolladas para aplicaciones espaciales. Las células multiunión están compuestas de varias capas delgadas usando la epitaxia por haz molecular.

Un celda de triple unión, por ejemplo, se compone de semiconductores GaAs, Ge y GaInP2. Cada tipo de semiconductores se caracteriza por un máximo de longitud de onda más allá del cual no es capaz de convertir los fotones en energía eléctrica (ver banda prohibida).

Por otro lado, por debajo de esta longitud de onda, el exceso de energía transportada por el fotón se pierde. De ahí el valor de la selección de materiales con longitudes de onda tan cerca el uno al otro como sea posible, de forma que absorban la mayoría del espectro solar, generando un máximo de electricidad a partir del flujo solar.

El uso de materiales compuestos de cajas cuánticas permitirá llegar al 65% en el futuro (con un máximo teórico de 87%). Los dispositivos de celdas de uniones múltiples GaAs son más eficaces. Spectrolab ha logrado el 40,7% de eficiencia (diciembre de 2006) y un consorcio (liderado por investigadores de la Universidad de Delaware) ha obtenido un rendimiento de 42,8% (septiembre de 2007). El coste de estas celdas es de aproximadamente USD 40 $/cm².

El semiconductor fbi

La técnica consiste en depositar un material semiconductor que contiene Cobre, Galio, indio y Selenio sobre un soporte. Una preocupación, sin embargo: los recursos de materias primas.

Estas nuevas técnicas utilizan metales raros, como Indio, cuya producción mundial es de 25 toneladas por año y el precio a fecha de abril del 2007 es de 1.000 dólares por kg; el Teluro , cuya producción mundial es de 250 toneladas al año; el Galio con una producción de 55 toneladas al año y el Germanio con una producción de 90 toneladas al año.

Aunque las cantidades de estas materias primas necesarias para la fabricación de celdas solares son infinitesimales, un desarrollo masivo de paneles fotovoltaicos solares debería tener en cuenta esta disponibilidad limitada.

Perspectivas de desarrollo

La técnica no ha alcanzado la madurez y muchas vías de investigación están siendo exploradas, primero se debe reducir el costo de la electricidad producida, y también avanzar en la resistencia de los materiales, flexibilidad de uso, facilidad de integración en los objetos, en la vida, etc). Todas las etapas de los procesos de fabricación se pueden mejorar, por ejemplo:

  • La empresa Evergreen Solar ha conseguido realizar el depósito de Silicio todavía líquido en una película donde se cristaliza directamente con el espesor preciso de la lámina.
  • La empresa Nanosolar ha industrializado la producción de celdas CGIS mediante una técnica de impresión en continuo, esperando un costo de 1 $/W en el año 2010.
  • Todas las compañías han anunciado sucesivos aumentos de la eficiencia de sus celdas.
  • El tamaño de las obleas está creciendo de manera constante, reduciendo el número de manipulaciones.
  • Concentradores (ya utilizados en los satélites) se están probando en la Tierra. A través de espejos y lentes incrustados en el panel, focalizan la radiación en la celdas fotovoltaica. A finales de 2007, Sharp ha anunciado la disponibilidad de un sistema de enfoque hasta 1100 veces la radiación solar (contra 700 veces para la marca previa de 2005); a principios de 2008, Sunrgi ha alcanzado 1600 veces.

La concentración permite disminuir la proporción de los grupos de paneles dedicados a la producción de electricidad, y por lo tanto su coste. Por otra parte, estos nuevos materiales soportan muy bien la elevada temperatura debida a la concentración del flujo solar.

  • Se está estudiando también la posibilidad de unir el Silicio amorfo y el cristalino por heterounión en una celda solar más simple de más del 20% de eficiencia. Proyecto de 2 años anunciado a principios de 2008, con la participación del Laboratorio de Innovación para Nuevas Tecnologías Energéticas y Nanomaterials del CEA-Liten, y la empresa coreana JUSUNG (proveedor de equipamiento para los fabricantes de semiconductores), con el INES (Savoy) donde la CEA-Liten ha concentrado sus actividades en la energía solar.

El CIS parece ofrecer un modesto rendimiento del 12%, pero con bajo costo de fabricación.

  • Los compuestos orgánicos de (materias plásticas) también pueden ser usadas para hacer células fotovoltaicas de polímeros, y podría llegar a hacerse paneles flexibles y ligeros, azulejos, tejidos o velas solares, es de esperar que de fabricación a bajo coste.

En la actualidad los rendimientos son bajos (5% como máximo), así como su vida, y aún quedan muchos problemas técnicos por resolver.

A principios de 2008, el grupo japonés Fujikura anunciaba haber puesto a prueba (1000 horas a 85° C y con una humedad del 85%) unas celdasfotovoltaicas orgánicas de tipo Grätzel no sólo más resistente, sino que su rendimiento mejoró del 50 al 70% con una superficie rugosa que distribuye al azar la luz reflejada dentro de la celda donde se liberan de nuevo las cargas eléctricas mediante la activación de otros pigmentos fotosensibles.

Esto permitiría la producción de electricidad a partir de cualquier fuente de calor, incluso por la noche. Hasta ahora, sólo una parte de la radiación de la luz visible, predominantemente verde y azul, se transformaba en electricidad y la radiación infrarroja se utilizaba en los paneles térmicos para calentar el agua.

  • Asimismo, se pretende fabricar células transparentes; modelos impulsados por el Instituto alemán Fraunhofer para la Mecánica de Materiales (IWM; proyecto "METCO" sugieren que las células transparentes bicapa podrían algún día ser producidas industrialmente. los semiconductores de tipo p transparentes parecen más difíciles de producir (el fósforo podría ser un dopante-P del óxido de zinc, pero el nitrógeno parece ser más prometedor.)
  • Por último, la escasez de silicio o de productos dopantes (el precio de indio se ha multiplicado por diez desde 2002 hasta 2009 tras su rarefacción) aumenta aún más los incentivo para la innovación de un mercado en fuerte crecimiento que parece enorme, sobre todo si se puede reducir el costo de la electricidad y acercarlo al de los combustibles fósiles.

Usos de los sistemas de energía fotovoltaica

El elemento principal de un sistema de energía fotovoltaica es la célula fotoeléctrica. Los paneles solares están constituidos por cientos de éstas células, que conexionadas adecuadamente, suministran voltajes suficientes para, por ejemplo, la recarga de una batería.

El principal uso de la energía fotovoltaica es hoy día la generación eléctrica conectada a la red de distribución, con el fin de reducir las emisiones de CO2. Igualmente día a día el uso para auto consumo esta adquiriendo mucho auge.

Fabricación

Para su construcción, de la arena común (con alto contenido en silicio) se obtiene inicialmente una barra de silicio sin estructura cristalina (amorfo), una vez separados sus dos componentes básicos, y que acoge gran cantidad de impurezas.

Mediante un proceso electrónico, que también permite eliminar las impurezas, la barra de silicio amorfo es transformada en una estructura monocristalina, la cual posee características de aislante eléctrico, al estar formada por una red de uniones atómicas altamente estables.

A continuación, con el material ausente totalmente de impurezas (una pequeña impureza lo hace inservible), es cortado en obleas (finas láminas de sólo una décima de milímetro).

Las obleas, son entonces fotograbadas en celdillas con polaridades positiva y negativa; la polaridad positiva se consigue a base de introducir o que electrónicamente hablando se denominan huecos, es decir, impurezas que están compuestas por átomos que en su capa de valencia sólo tienen tres electrones (les falta uno para estar estables).

Por su parte, en la zona negativa se sigue un proceso similar al de la zona positiva, pero en éste caso las impurezas que se inyectan son átomos que en su capa de valencia tienen cinco electrones, es decir, en la estructura de cristal sobra un electrón (sobra un electrón, por eso se dice que tiene carga negativa).

El conjunto de ambos materiales (positivos y negativos) forman un diodo; éste dispositivo tiene la característica de dejar pasar la corriente eléctrica en un sentido, pero en el otro no, y aunque los diodos son utilizados para rectificar la corriente eléctrica, en éste caso, permitiendo la entrada de luz en la estructura cristalina, permitiremos que se produzca movimiento de electrones dentro del material, por eso éste diodo es denominado fotodiodo o “célula fotoeléctrica”.

Tecnologia Solar Fotovoltaica

El Silicio es el componente responsable del fenómeno fotoeléctrico en los paneles o módulos fotovoltaicos. El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones del Silicio cuando se le ilumina con la luz visible o ultravioleta (radiación electromagnética).

Sistema Fotovoltaico

Un sistema fotovoltaico tiene como objetivo la captación de radiación solar y transformarla en energía eléctrica para su consumo. A continuación una breve descripción y los métodos para utilizarla.

El efecto se denomina también Efecto Hertz debido a que fue descubierto por Heinrich Rudolf Hertz, sin embargo esta denominación ha caído en desuso.

Breve descripción

Cuando una superficie se expone a la radiación electromagnética sobre cierta frecuencia del umbral (luz visible para los metales alcalinos, cerca del ultravioleta para otros metales, y al ultravioleta en el vacío para los no metales), se absorbe la luz y se emiten los electrones.

En 1902, Philipp Eduard Antón von Lenard observó que la energía de electrones emitidos individuales aumentó con la frecuencia, o color, de la luz. Esto parecía estar en desacuerdo con la teoría de onda de la luz de James Clerk Maxwell; quien expresaba que la energía de electrón sería proporcional a la intensidad de la radiación.


En 1905, Einstein solucionó esta aparente paradoja describiendo la luz como un compuesto discreto de Cuantos (Fotones) y ondas continuas. Basado en la teoría de Max Planck de la radiación del cuerpo negro, Einstein teorizó que la energía en cada cuanto de luz era igual a la frecuencia multiplicada por una constante, que posteriormente se denominó constante de Planck.

Un fotón sobre la frecuencia del umbral tiene la energía requerida para expulsar un solo electrón, creando el efecto fotovoltaico. Este descubrimiento llevó a la revolución del Cuanto en la física (fisica cuántica) y ganó Einstein el Premio Nobel en 1921.

Vea también

Fuentes

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