"(...) En este artículo haré una descripción de cuáles son los fundamentos
científicos de las células solares, pilares en los que se sustenta esta
fuente de energía, así como unos breves comentarios acerca de las
tecnologías principales con las que se fabrican.
1. Fundamentos de las células solares
La conversión de la energía solar en energía eléctrica se realiza utilizando las propiedades de unos dispositivos electrónicos conocidos como células solares. Básicamente, un célula solar es un dispositivo de área moderada (~250 cm²) que se fabrica con una clase de materiales denominados semiconductores, que están presentes en nuestra vida cotidiana desde hace muchos años. Sin ellos, no serían posibles aparatos tales como los ordenadores, los teléfonos móviles, los televisores y un largo etcétera.
Las células solares se construyen habitualmente con silicio, ya que
más del 90% de las que se encuentran en el mercado se fabrican con él.
El resto del mercado lo componen dispositivos realizados con otros
semiconductores, principalmente CdTe y CuInSe2. Los paneles
fotovoltaicos construidos con esos semiconductores se utilizan para
generar electricidad en aplicaciones terrestres.
En el ámbito de las aplicaciones espaciales, las células solares que
integran las baterías que suministran energía a los satélites, se
fabrican con semiconductores compuestos por elementos de las columnas
III y V de la tabla periódica: GaAs, GaInP, AlInP, GaInAs, etc.
Una célula solar básica de silicio (las fabricadas con los otros
semiconductores son similares) se construye mediante la unión de dos
zonas de ese material. Durante el proceso de fabricación, en cada una de
esas zonas se incorporan de manera intencionada otros elementos
químicos, generalmente fósforo en un lado de la unión (que se denomina
electrodo negativo o n-Si) y boro en el otro (el electrodo positivo o
p-Si).
La célula solar así construida es un diodo y al iluminarla con
radiación solar se produce el denominado efecto fotovoltaico. En esencia
consiste en que la energía de la radiación solar incidente se absorbe
por la célula solar, a raíz de lo que se generan portadores de carga
eléctrica en el semiconductor, lo que trae como consecuencia inmediata
la aparición de una corriente eléctrica.
Simultáneamente, la circulación
de la corriente por la célula hace que se genera un voltaje entre sus
extremos. Como resultado del proceso, la célula produce una tensión y
una corriente eléctricas, que es lo que se necesita para obtener
potencia eléctrica (la potencia eléctrica se obtiene como producto de
ambas magnitudes) y energía al hacerla funcionar un determinado tiempo
(la energía es el producto de la potencia por el tiempo de
funcionamiento).
Por lo tanto, la célula solar convierte la radiación emitida por el sol y absorbida por ella en energía eléctrica. La siguiente figura muestra el esquema y el aspecto exterior de una célula solar comercial de silicio:
Célula solar comercial. Izquierda, estructura física; derecha, aspecto visual
Una célula solar produce poca potencia eléctrica, entre 2 y 3 vatios
(W), por lo que debe unirse adecuadamente con otras para hacer módulos
fotovoltaicos (entre 30 y 50, dependiendo del tipo de módulo y del
fabricante) y así obtener potencias más elevadas. Un módulo, en
condiciones óptimas de iluminación y dependiendo del tamaño, suministra
entre 100 W y 250 W. A su vez, los módulos se integran en paneles,
agrupando estos del orden de 10 a 30 módulos.
La eficiencia de conversión de la energía solar en energía eléctrica
de las células solares está comprendida hoy en día en el margen 10-25%,
dependiendo del semiconductor que se utilice, de la calidad del mismo y
de la tecnología de fabricación.
La siguiente figura detalla las
eficiencias de los diferentes tipos de células solares que se fabrican
en la actualidad. Se distingue entre células de laboratorio
(habitualmente, de tamaño reducido) y células integradas en módulos
comerciales, así como las diferentes tecnologías y materiales
semiconductores empleados:
Eficiencia de células solares según la tecnología y el semiconductor
empleados en su fabricación. La gran mayoría de los paneles comerciales
corresponden a las categorías mono-Si y multi-Si de la figura. Fuente: Photovoltaic Report 2015. Fraunhofer Institut ISE (Alemania)
Debido tanto al tamaño como a la eficiencia, si se quieren emplear
células solares para el suministro de energía eléctrica a un hogar
equipado con todos los electrodomésticos habituales, es preciso utilizar
del orden de 6-8 m² de paneles solares por persona (aunque esto varía
mucho según la localización geográfica).
De otra parte, si lo que se
pretende es obtener energía eléctrica en cantidades equiparables a las
que producen las centrales térmicas convencionales, es preciso utilizar
cientos de miles de paneles solares y por lo tanto, millones de células
solares, de ahí que los conocidos como “huertos solares” necesiten
instalarse utilizando grandes extensiones de terreno, siendo este uno de
los principales inconvenientes que tiene la utilización a gran escala
de la ESF.
Las siguientes imágenes muestran una instalación típica de
autoconsumo eléctrico familiar (izquierda) y el huerto solar operativo
más grande del mundo, Topaz Solar Farm,
(derecha; 550 MW de potencia instalada) situado en el condado de San
Luis Obispo (California, USA), que ocupa una extensión de 25 km²,
similar al casco urbano de la ciudad de Logroño:
Izquierda: instalación de autoconsumo eléctrico de tamaño moderado,
con 12 módulos fotovoltaicos. Derecha: el huerto solar Topaz, en una
imagen tomada desde el satélite Landsat 8. Dispone de 9 millones de módulos fotovoltaicos [1]. Obsérvese el detalle de la escala, a la derecha de la imagen.
2. Tecnología de fabricación de células solares de silicio
En la actualidad, más del 90% del mercado fotovoltaico está dominado por las células solares de silicio, repartido en proporciones similares entra las denominadas células mono-Si y las multi-Si; el mono-Si es un silicio de elevada calidad y el multi-Si es un material más defectuoso.
La diferencia esencial entre las células solares
fabricadas con mono-Si y las realizadas con multi-Si es que en este
segundo caso las células solares son menos eficientes que las de mono-Si
(ver la segunda figura del artículo), pero más económicas.
El proceso de obtención, tanto del mono-Si como del multi-Si, es
el paso más costoso de los que integran la fabricación de una célula
solar, tanto en términos económicos como energéticos. Aproximadamente el
60% del coste económico y el 75% del coste energético de una
instalación fotovoltaica, se invierte en la obtención del silicio.
Describo algún detalle a continuación:
Para fabricar células solares, lo primero que se necesita es disponer
de silicio purificado. El silicio es uno de los elementos más
abundantes en la corteza terrestre, pero se encuentra en esta formando
compuestos, principalmente óxidos y silicatos.
Estos hay que
descomponerlos para obtener el silicio , que después hay que
purificar (debe ser 99.999999% puro) para que sirva de material de
partida en la fabricación de las células solares. La descomposición de
los óxidos y silicatos y la posterior purificación son procesos muy
costosos desde el punto de vista energético.
Una vez purificado,, el silicio se somete a un proceso de obtención de lo que se conocen como wafers (obleas) donde se fabrica la célula solar. El proceso es conocido como Czochralski, debido al científico polaco (de apellido impronunciable) Jan Czochralski,
que lo desarrolló en 1916 mientras investigaba las propiedades de
ciertos metales. El proceso es complejo y su descripción queda fuera de
los objetivos de este artículo [2].
Los costes de la tecnología de fabricación de las células solares
fueron durante décadas el principal freno al desarrollo de la ESF, pero
la economía de escala que ha generado su amplia utilización en todo el
mundo ha propiciado un drástico abaratamiento de los mismos durante la
última década.
Hoy en día, el kWh fotovoltaico es plenamente competitivo
en comparación al obtenido con tecnologías basadas en combustibles
fósiles, tal y como he analizado con detalle en otro artículo. El avance de la ESF es imparable, ya que cada vez más países apuestan por las fuentes de energía renovables. El reto de frenar el cambio climático debe impulsar su desarrollo de manera generalizada en todo el planeta." (Ignacio Mártil, Público, 30/11/15)
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