El físico francés Alexandre Edmond Becquerel hizo el sensacional descubrimiento ya en 1839: cuando la luz (foto) incide sobre ciertas sustancias, se crea tensión (voltaica). Pero, ¿cómo funciona con la fotovoltaica? Te explicamos como funcionan.
Después de su descubrimiento, la energía fotovoltaica tardó 120 años en servir como fuente de energía para los primeros satélites y naves espaciales. Mientras tanto, la célula solar se ha convertido en un popular proveedor de electricidad para los ahorradores de energía.
En esto consiste la celda solar
Solo ciertos materiales pueden convertir la luz en electricidad, uno de ellos es el silicio. Más del 90 por ciento de todas las células solares están hechas de silicio. Su ventaja: la arena de cuarzo como materia prima está disponible en cantidades suficientes en la tierra y el silicio es ecológico.
La luz suelta electrones en la capa límite (verde), que fluyen hacia afuera a través de la bombilla.
Una célula solar cristalina generalmente consta de dos capas de silicio, juntas de dos a tres décimas de milímetro de espesor.
En el lado soleado, el silicio se intercala deliberadamente con átomos de fósforo. En pocas palabras, los átomos de fósforo tienen un electrón negativo de más (es decir, negativo). Los átomos de boro se encuentran en el otro lado de la celda; tienen un electrón muy poco (es decir, positivo). Las capas negativas y positivas se tocan entre sí.
La electricidad fluye desde la celda solar a través de controladores de carga e inversores hacia la batería o la red eléctrica.
Con luz al fluir de la electricidad
Cuando la luz incide en la celda, los electrones se ponen en movimiento. Una vez que se ponen en marcha, saltan el borde de la capa negativa a la positiva, donde hay una falta de electrones; otros se mueven hacia arriba. Los electrones migran de regreso a su capa anterior en la parte inferior de la celda a través de una rejilla metálica (dedo de contacto), cable y placa portadora (contacto). Cuando el circuito está cerrado, fluye corriente eléctrica. Cuantos más rayos de luz inciden en los electrones, más electricidad se produce. Si la irradiación sigue siendo la misma, la ganancia de potencia depende únicamente de la superficie. Cuanto mayor sea la superficie, mayor será el amperaje. Si el sol brilla más fuerte, la célula solar produce más electricidad. Se trata de corriente continua, ya que también se almacena en baterías. Sin embargo, las células solares no pueden almacenar electricidad.lo entregan.
El módulo solar
Las células solares no pueden funcionar al aire libre sin protección. Tienen que estar bajo una cubierta: el módulo.
Varias células solares están conectadas juntas para formar una unidad en el módulo. Las células cristalinas están encadenadas y conectadas entre sí. Las hebras se empaquetan en una película de plástico y se colocan entre dos placas de vidrio. La tecnología de película delgada produce una celda grande cuando se vaporiza la placa de vidrio. Un láser los corta en tiras que están interconectadas.
Una unidad de alimentación, también denominada inversor, convierte la corriente continua generada por los módulos en corriente alterna (tensión alterna de 230 voltios). Toda la electricidad generada se alimenta a la red pública. Este se remunera de acuerdo con la “Ley de Fuentes de Energía Renovable” (EEG).
Dos tipos: células solares cristalinas y amorfas.
Hay dos tipos de células solares: cristalinas y amorfas. Las células cristalinas representan alrededor del 80 por ciento de la producción mundial.
Células solares monocristalinas: el material de partida es silicio ultra puro caro, que se extrae de una masa fundida de silicio en un proceso costoso y que requiere mucho tiempo, se prensa en barras y se corta en rodajas de hasta 12 centímetros de diámetro. En el monocristal, todos los átomos están alineados de la misma forma. Las células de azul a negro, a pedido también de diferentes colores, aprovechan los rayos del sol en el laboratorio hasta en un 24 por ciento; en la práctica, sin embargo, sólo hasta el 16 por ciento.
Células solares multicristalinas: el polisilicio producido industrialmente es más barato que la producción de monocristales. En la práctica, la eficiencia de las células azuladas es del 11 al 14 por ciento.
Las células cristalinas apenas pierden su eficacia incluso durante décadas.
Células solares amorfas
Las celdas amorfas más baratas son adecuadas para las características del agua en el jardín o las básculas domésticas en la casa, así como en fachadas grandes. Si el espacio para un gran sistema fotovoltaico es limitado, las células cristalinas funcionan con mayor eficacia.
Así es como se construyen las células amorfas: la capa generadora de electricidad se vaporiza sobre una placa de vidrio. Los átomos ya no se almacenan en una estructura cristalina, sino de manera desordenada (amorfa). Este proceso requiere relativamente poco silicio: eso reduce el precio. En comparación con las células cristalinas de 0,2 a 0,3 milímetros de espesor, las células de película delgada miden sólo de 0,01 a 0,05 milímetros. Las células son de color marrón o antracita y tienen una eficiencia del seis al siete por ciento. En los días oscuros, las células amorfas entregan más electricidad que otras.
La eficiencia de las células amorfas disminuye con los años: después de 20 años es alrededor del 70 por ciento de la producción inicial.
Los módulos solares modernos también se pueden instalar discretamente en el techo del patio o en la cochera.
nuevas tecnologías
Dos nuevas celdas de película delgada funcionan sin silicio: material hecho de diselenuro de cobre e indio (CID) y de telururo de cadmio (CdTe). Las nuevas células se están utilizando actualmente en plantas piloto. La tecnología del futuro es un nuevo proceso de película fina en el que se aplica una capa de silicio cristalino a un material portador. Esto combina la alta eficiencia de las células cristalinas con el bajo consumo de material de las células de película fina.
¿Existen límites para el desempeño?
Como se explicó anteriormente, los módulos monocristalinos logran los niveles más altos de eficiencia, seguidos de los módulos solares policristalinos. Sin embargo, las ventajas de los módulos monocristalinos se compensan con el alto gasto de energía y los costes de crecimiento de los cristales de silicio. Un desarrollo más reciente podría tener un gran potencial aquí: los módulos cuasi monocristalinos. Se trata de módulos policristalinos que, gracias a un sistema de control especial, tienen propiedades similares a los módulos monocristalinos durante el crecimiento cristalino.
La eficiencia de una sustancia no se puede desarrollar más a voluntad y tiene límites naturales, porque el material solo puede procesar ciertas longitudes de onda de luz. Con los módulos de silicio monocristalino, el mayor grado posible de eficiencia es alrededor del 29 al 33 por ciento, en teoría.
¿Ha llegado esto al final del asta de la bandera? No, porque las nuevas tecnologías también crean nuevas oportunidades. Las denominadas células solares en tándem, por ejemplo, pueden aumentar la eficiencia utilizando un principio simple: si apila diferentes materiales para diferentes partes del espectro de luz uno encima del otro, la eficiencia también aumenta. Más del 40 por ciento ya se ha logrado de esta manera; más del 80 por ciento son concebibles para el futuro.
La eficiencia natural también se está refinando aún más. Los científicos japoneses anunciaron un nuevo récord de eficiencia para las células solares de silicio del 26,3 por ciento a principios de 2017. Eso no está lejos del límite específico del material. Sin embargo, aquí se aplica lo siguiente: Un mayor grado de eficiencia solo abarata la energía solar si los costos de producción no aumentan en la misma medida.