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¿¿Cómo funciona una celda fotovoltaica?

Tal vez hayas visto paneles solares instalados en los techos de muchos hogares, los paneles están formado por muchas celdas solares tienes la idea que esos dispositivos negros o azules producen electricidad pero en realidad sabes ¿¿Cómo funciona una celda fotovoltaica?

¿Cómo funciona una celda fotovoltaica?

Una celda fotovoltaica (PV), también conocida como celda solar, es un componente electrónico que genera electricidad cuando se expone a fotones o partículas de luz. Esta conversión se denomina efecto fotovoltaico y fue descubierto en 1839 por el físico francés Edmond Becquerel.

No fue hasta la década de 1960 que las células fotovoltaicas encontraron su primera aplicación práctica en la tecnología satelital.

Los paneles solares, que se componen de módulos de células fotovoltaicas, comenzaron a llegar a los tejados a finales de la década de 1980. La capacidad fotovoltaica ha estado creciendo constantemente desde el comienzo del siglo XXl, dirigido por la construcción de grandes parques solares.

¿¿Cómo funciona una celda fotovoltaica?

Un investigador japonés examina un nuevo tipo de célula fotovoltaica orgánica con pigmentos fotosensibles. 

Una celda fotovoltaica está hecha de materiales semiconductores que absorben los fotones emitidos por el sol y generan un flujo de electrones. Los fotones son partículas elementales que transportan la radiación solar a una velocidad de 300.000 kilómetros por segundo.

En la década de 1920, Albert Einstein se refirió a ellos como «granos de luz». Cuando los fotones chocan contra un material semiconductor como el silicio , liberan los electrones de sus átomos, dejando un espacio vacío. Los electrones perdidos se mueven al azar en busca de otro «hueco» que llenar.

Sin embargo, para producir una corriente eléctrica, los electrones deben fluir en la misma dirección. Esto se logra utilizando dos tipos de silicio. La capa de silicio que se expone al sol está dopada con átomos de fósforo, que tiene un electrón más que el silicio, mientras que el otro lado está dopado con átomos de boro , que tiene un electrón menos.

El sándwich resultante funciona de manera muy similar a una batería: la capa que tiene electrones excedentes se convierte en el terminal negativo (n) y el lado que tiene un déficit de electrones se convierte en el terminal positivo (p). Se crea un campo eléctrico en la unión entre las dos capas.

Cuando los electrones son excitados por los fotones, un campo eléctrico los arrastra hacia el lado n, mientras que los huecos se desplazan hacia el lado p. Los electrones y los agujeros se dirigen a los contactos eléctricos aplicados a ambos lados antes de fluir al circuito externo en forma de energía eléctrica. Esto produce corriente continua.

Se agrega un revestimiento antirreflectante a la parte superior de la celda para minimizar la pérdida de fotones debido a la reflexión de la superficie. (Ver diagrama).

¿¿Cómo funciona una celda fotovoltaica?

¿Cómo funciona una celda fotovoltaica?: Eficiencia de células fotovoltaicas

La eficiencia es la relación entre la energía eléctrica producida por la celda y la cantidad de luz solar que recibe. Para medir la eficiencia, las células se combinan en módulos, que a su vez se ensamblan en matrices. Los paneles resultantes se colocan frente a un simulador solar que imita las condiciones ideales de luz solar: 1.000 vatios (W) de luz por metro cúbico a una temperatura ambiente de 25 ° C.

La energía eléctrica producida por el sistema, o potencia máxima, es un porcentaje de la energía solar entrante. Si un panel de un metro cuadrado genera 200 W de potencia eléctrica, tiene una eficiencia del 20%. La eficiencia teórica máxima de una celda fotovoltaica es de alrededor del 33%. Esto se conoce como límite de Shockley-Queisser.

El efecto fotovoltaico fue descubierto en 1839 por Edmond Becquerel.

En la vida real, la cantidad de electricidad producida por una celda, conocida como su producción, se basa en su eficiencia, la insolación anual promedio del área circundante y el tipo de instalación. La radiación solar incidente varía significativamente, midiendo 1 megavatio-hora por metro cuadrado por año (MWh / m2 / año) en el área de París frente a aproximadamente 1,7 MWh / m2 / año en el sur de Francia y casi 3 MWh / m2 / y en el desierto del Sahara. Esto significa que un panel solar con un índice de eficiencia del 15% generará 150 kWh / m2 / año en París y 450 kWh / m2 / año en el Sahara.

Diferentes tipos de células fotovoltaicas

Hay tres tipos principales de células fotovoltaicas. Sus eficiencias de conversión se mejoran todo el tiempo 2 .

Células de silicio cristalino

¿Cómo funciona una celda fotovoltaica? Las celdas de silicio convierten los fotones en electricidad.

El silicio se extrae de la sílice. Este último tiene muchas formas, incluido el cuarzo, que se encuentra en grandes cantidades en la arena. Las células de silicio representan más del 95% del mercado de células solares. En aplicaciones comerciales, su eficiencia oscila entre el 16,5% y el 22%, dependiendo de la tecnología utilizada.

En el método de procesamiento en frío, el silicio está compuesto por muchos cristales y se llama policristalino. Las células son fáciles de fabricar y tienen una eficiencia de laboratorio superior al 22%. En el método de extracción de la masa fundida, el silicio se convierte en una estructura monocristalina grande y se denomina monocristalino.

Tiene una eficiencia de laboratorio de hasta el 26,6%. ( Ver la infografía).  El precio de las células de silicio ha bajado en los últimos años, lo que hace que las fotovoltaicas sean muy competitivas con otras fuentes de electricidad.

Celdas de película delgada

En lugar de cortar obleas de silicio de alrededor de 200 micrones , es posible depositar material semiconductor en capas delgadas de solo unos pocos micrones de espesor sobre un sustrato como vidrio o plástico. Las sustancias comúnmente utilizadas son el telururo de cadmio y el seleniuro de cobre, indio, galio (CIGS), cuyas eficiencias de laboratorio son cercanas a las del silicio, con 22,1% y 23,3%, respectivamente. El silicio amorfo (no cristalino) también se puede utilizar para fabricar células de película fina. Esta tecnología se ha aplicado durante mucho tiempo en calculadoras pequeñas, pero es menos eficiente que el silicio.

Células orgánicas

1 micrón: el espesor (1/1000 de milímetro) de la capa semiconductora depositada sobre el sustrato de una célula fotovoltaica de película fina.

Las células solares orgánicas que utilizan moléculas orgánicas o polímeros en lugar de minerales semiconductores están comenzando a aplicarse comercialmente. Las celdas continúan teniendo una baja eficiencia de conversión y una vida útil corta, pero son potencialmente una alternativa de bajo costo en términos de producción.

Otra tecnología, las células solares sensibilizadas con colorantes con pigmentos fotosensibles, inspiradas en la fotosíntesis , está comenzando a llamar la atención.

¿Cómo funciona una celda fotovoltaica? Perovskita

Les recherches précédentes sur le photovoltaïque organique (OPV) ont conduit à la découverte d’un nouveau type de cellules dites pérovskites. Elles sont fondées sur un matériau hybride avec une partie organique et une partie inorganique. Leurs rendements en laboratoire atteignent déjà celui des autres technologies (le record est 23,7%).

Aunque todavía es necesario realizar mucha investigación antes de que las células puedan producirse en masa (la inestabilidad es un problema), las perovskitas tienen muchas ventajas. Además de ser ligeros y flexibles, sus materiales pueden mezclarse con tinta y aplicarse a grandes superficies. Además, su producción es extremadamente rentable.

Convergencia tecnológica

Científicos de todo el mundo están trabajando para combinar diferentes tecnologías fotovoltaicas para crear celdas de unión múltiple. La utilización de diferentes materiales permite que las células alcancen una eficiencia mucho mayor que el límite máximo teórico (33,5%), manteniendo los costes de fabricación bajo control.

La investigación se centra principalmente en las células en tándem de silicio de película delgada, que producen una eficiencia teórica del 43%. La eficiencia teórica máxima de las células de unión múltiple es superior al 50%.

Hemos llegado al final del artículo ¿Cómo funciona una celda fotovoltaica? espero que haya quedado claro el concepto.