Introducción a la energía solar: Parte 2
Cuando una célula fotovoltaica se expone a la luz solar, los fotones de la luz solar absorbida desalojan los electrones de los átomos de la célula. Luego, los electrones libres se mueven a través de la celda, creando y llenando agujeros. Es este movimiento de electrones y huecos el que genera electricidad. El proceso de convertir la luz solar en electricidad se conoce como «efecto fotovoltaico». La luz es una forma de energía y los electrones comienzan a moverse cuando la energía luminosa ingresa al material. Los electrones fluyen libremente a través de la estructura cristalina y se recogen mediante metales conductores de electricidad como el cobre. Los electrones acumulados producen la corriente y la salida de voltaje (potencia) de una celda solar.
Muchas células fotovoltaicas están conectadas para formar módulos, que luego se ensamblan en unidades más grandes llamadas matrices para aumentar la producción de energía. Estas unidades de células fotovoltaicas permiten a los diseñadores construir sistemas fotovoltaicos con salida de energía personalizada para diferentes aplicaciones. Un sistema fotovoltaico completo consta de módulos fotovoltaicos, estructuras de soporte, cableado, almacenamiento, conversión de energía y dispositivos electrónicos de potencia.
Transporte de electrones de silicio
Un átomo de silicio tiene 14 electrones dispuestos en tres capas diferentes. Las dos primeras capas están llenas y la tercera capa está parcialmente vacía y tiene solo cuatro electrones, como se muestra en la Figura 1. Un átomo en su estado ideal necesita ocho electrones en su última capa. Por tanto, para compensar los espacios vacíos, comparte cuatro electrones con sus átomos de silicio vecinos (esto es lo que forma la estructura cristalina). Las propiedades materiales del silicio en su estado “puro” le permiten ser conductor porque sus electrones no pueden moverse (están encerrados en esta estructura cristalina).
Figura 1. El silicio tiene 14 protones y electrones, pero los átomos normalmente se escriben únicamente con sus electrones de valencia.
Por lo tanto, es necesario modificar las propiedades del material de silicio para permitir que los electrones se muevan. Esta tarea se logra implantando impurezas en el material de silicio. Cuando se mezclan otros tipos de átomos con el material, esto permite que los electrones se muevan. Por ejemplo, un átomo de fósforo tiene cinco electrones en su capa exterior y, si se colocan en el material de silicio, todavía se une a los átomos de silicio, pero hay un electrón libre que no está unido.
Fotogeneración de portadores de carga.
Cuando un fotón golpea un trozo de silicio, puede ser absorbido por el silicio, reflejarse en la superficie o atravesar el silicio. La trayectoria del fotón depende de si la energía del fotón es mayor o menor que la banda prohibida. Si el fotón es absorbido, su energía se transfiere a un electrón en la red cristalina. El electrón de valencia suele estar fuertemente unido debido a los átomos vecinos; sin embargo, la energía adicional proporcionada por el fotón lo excita hacia la banda de conducción, donde puede moverse en el semiconductor. El electrón se mueve a otro lugar (agujero) y deja un “agujero” donde antes estaba. Este fenómeno se denomina pares móviles “electrón-agujero” en el semiconductor.
El espectro electromagnético y la pérdida de energía
El espectro electromagnético se compone de muchas longitudes de onda diferentes. La radiación óptica se considera «luz», pero la luz óptica o «visible» es sólo una pequeña parte de una gama mucho más amplia de energía. Muchas otras porciones del espectro están total o parcialmente bloqueadas por la atmósfera terrestre. ¡La única forma de observar las partes del espectro es ir al espacio! Los nombres de las distintas secciones del espectro electromagnético se muestran en la Figura 2. Cuando presencias un arco iris después de una tormenta, observas la separación de la luz en sus diferentes longitudes de onda. Dado que los materiales fotovoltaicos sólo absorben un cierto rango de energías, determinadas longitudes de onda de luz no podrán crear electrones libres. Dependiendo del tipo de material, se requiere una cierta cantidad de energía (1,1 eV para el silicio cristalino) para hacer que los electrones se muevan; esto se conoce como “la energía de banda prohibida” del material.
Figura 2. El espectro electromagnético.
La banda prohibida también determina la fuerza (voltaje) del campo eléctrico. Si es demasiado bajo, los fotones extra absorbidos no crean un voltaje lo suficientemente alto como para producir la energía requerida. También hay pérdidas de electrones debido al área de contacto entre el metal y el material. En teoría, cuanto mayor sea el contacto del metal, más electrones podrá recolectar. Sin embargo, una parte importante del material no se puede cubrir porque la luz necesita entrar en el material para generar la corriente eléctrica. Además, el silicio es un semiconductor (no un conductor), lo que significa que a los electrones les resulta difícil viajar a través del material debido a la alta resistencia interna. La banda prohibida óptima es 1,4 eV para que un material celular equilibre estos dos efectos.
Silicio y la unión P-N
Cuando se añade energía al silicio puro, unos pocos electrones se liberan de la red, lo que deja un «agujero». Estos electrones libres luego intentan estabilizarse buscando otro agujero. Estos electrones libres se denominan «portadores libres». El silicio con electrones extra de fósforo (dopado) permite que se muevan suficientes electrones para poder conducir corriente. El proceso de agregar electrones se llama «dopaje» y los materiales de silicio con átomos de fósforo se denominan «silicio tipo n». El material de silicio también se puede dopar con boro, que tiene sólo tres electrones en su capa exterior en comparación con los cuatro que tiene el silicio. Este tipo de silicio se llama “tipo p” y, por lo tanto, el silicio tiene “huecos” libres en lugar de electrones. Estos «agujeros» se mueven como los electrones y llevan una carga positiva. Si el silicio tipo p se pone en contacto con el silicio tipo n, entonces los electrones se difundirán desde una región de alta concentración (lado tipo n) a una región de baja concentración (lado tipo p). Los electrones del material tipo n son repelidos por el electrodo negativo y atraídos hacia el electrodo tipo p. Los agujeros en el material tipo p se mueven en sentido opuesto.
Cuando la diferencia de voltaje entre los electrodos es alta, los electrones en la zona de agotamiento salen de sus agujeros y comienzan a moverse libremente nuevamente. La zona de agotamiento desaparece y la carga atraviesa el diodo. La Figura 3 ilustra la unión P-N antes y después de que los electrones comiencen a moverse.
Figura 3. Uniones P-N.
Se colocan contactos metálicos en los lados tipo n y tipo p de la célula solar, y luego los electrodos se conectan al dispositivo que necesita ser alimentado. Los electrones se mueven desde el lado tipo n para alimentar la carga y luego viajan al contacto semiconductor-metal tipo P. Luego se recombinan con un agujero que fue creado por un par electrón-hueco en el lado tipo P o son barridos a través de la unión desde el lado tipo N después de ser creados allí. La Figura 4 ilustra el concepto a medida que la corriente fluye a través de la unión.
Figura 4. Célula solar conectada a una carga externa.
Otros materiales para células fotovoltaicas
Aunque el silicio es el tipo de material más común utilizado para las células fotovoltaicas, también se pueden utilizar otros materiales. A veces se utiliza silicio policristalino para reducir los costes de fabricación, aunque las células solares hechas de policristalino no son tan eficientes. El silicio amorfo también se puede utilizar para reducir los costos de producción. Otros materiales comunes incluyen:
1. Arseniuro de galio
2. Diseleniuro de indio y cobre
3. Telururo de cadmio
Cada tipo de material tiene una “banda prohibida” diferente, lo que significa que absorbe diferentes longitudes de onda de energía. Un método para mejorar la eficiencia fotovoltaica es utilizar dos o más capas de material diferentes. Se denominan células de “uniones múltiples” y pueden absorber diferentes longitudes de onda de energía. La banda prohibida más alta suele estar en la superficie absorbiendo los fotones de alta energía, y el material de la banda prohibida más baja está debajo. La Figura 5 muestra la parte de la tabla periódica que es relevante para la energía fotovoltaica.
Figura 5. La parte de la tabla periódica relevante para la energía fotovoltaica.
Silicio cristalino
El material más utilizado para los paneles fotovoltaicos es el silicio cristalino, que tiene una eficiencia aproximada del 15%. Puede estar hecho de un lingote, una cinta o una oblea de silicio. El silicio monocristalino suele formarse mediante el proceso de Czochralski. Estos paneles son caros porque están hechos de lingotes cilíndricos puros. La Figura 6 muestra los pasos básicos en la formación de módulos solares.
Figura 6. Pasos materiales en la formación de módulos solares.
Célula solar de telururo de cadmio
El telururo de cadmio (CdTe) es otro material eficiente que absorbe la luz para las células solares. El CdTe es fácil de fabricar y adecuado para la producción a gran escala, y es la única tecnología, además del silicio amorfo, que se puede fabricar a gran escala. Sin embargo, existe una percepción de toxicidad con las células solares de CdTe porque están basadas en cadmio, que es un metal que puede actuar como veneno acumulativo. Muchos estudios han demostrado que la liberación de cadmio en las células solares de telururo de cadmio es menor que en otras tecnologías de células solares basadas en cadmio.
Célula solar de seleniuro de cobre-indio
Las células solares de seleniuro de cobre-indio (CuInSe2) tienen altas propiedades de absorción de luz. Las características ópticas y eléctricas se pueden manipular para construir dispositivos personalizados. Algunas de las películas han logrado una eficiencia superior al 14%; sin embargo, los costes de fabricación son elevados en comparación con las células solares de silicio.
Ce solar multiunión de arseniuro de galio (GaAs)
Las células multiunión de arseniuro de galio son células de alta eficiencia que se desarrollaron inicialmente para aplicaciones especializadas como satélites y exploración espacial. Estas células constan de varias capas, como GaAs, Ge, GaInP2, y se depositan mediante epitaxia metalorgánica en fase de vapor.
Los semiconductores que se eligen para formar estas células multiunión se eligen para absorber casi todo el espectro solar y, por lo tanto, generar la máxima cantidad de energía. Las células solares multiunión basadas en GaAs son las más eficientes, con una eficiencia de aproximadamente el 40%. Esta tecnología se está utilizando actualmente en las misiones del rover a Marte.
Tintes absorbentes de luz (DSSC)
Actualmente se están investigando tintes absorbentes de luz (DSSC) para la tecnología de células solares. Un ejemplo es un tinte metalorgánico de rutenio que se deposita en una capa fina para absorber la luz. La célula solar sensibilizada con colorante depende de una capa de nanopartículas de dióxido de titanio (TiO2) para maximizar el área de superficie (200 – 300 m2/g de TiO2, en comparación con 10 m2/g del área de superficie del cristal). Cuando la luz incide en esta célula solar, los electrones pasan al TiO2 de tipo n y los huecos se mueven al electrolito al otro lado del tinte. Esta celda permite flexibilidad en los materiales que se eligen y utiliza métodos de fabricación de bajo coste como la serigrafía. Sin embargo, los tintes sufren degradación por el calor y la luz ultravioleta, y puede resultar difícil sellar la carcasa debido a los disolventes utilizados en el ensamblaje.
Células solares orgánicas/polímeras
Hay muchas células solares orgánicas y poliméricas que se fabrican a partir de películas delgadas (~ 100 nanómetros) y actualmente se investigan para células solares. Los ejemplos incluyen polímeros, películas delgadas y materiales especiales. Las eficiencias de conversión de energía son actualmente mucho más bajas que las de otros tipos de células solares; la eficiencia más alta se reporta con un 6,5%. Este tipo de célula seguiría siendo valioso cuando la flexibilidad mecánica sea esencial.
Conclusión
Las células fotovoltaicas pueden conducir electrones porque utilizan materiales semiconductores. El silicio es el tipo más común de material semiconductor utilizado para las células fotovoltaicas. Algunos otros materiales utilizados son el arseniuro de galio, el diseleniuro de indio y cobre y el telururo de cadmio. Los sistemas solares serán una parte esencial del futuro sistema de energía híbrido debido a su capacidad comprobada de utilizar energía solar para producir energía. Dado que la energía solar puede ser intermitente, lo ideal sería utilizarla con un sistema compuesto por baterías, un electrolizador, una pila de combustible o energía eólica.
