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Fuentes de Energía Renovables

Celdas Solares



Las celdas solares son el componente base de cualquier sistema solar fotovoltaico. El desarrollo de estos pequeños dispositivos es lo que ha permitido aprovechar la energía solar para generar electricidad directamente. Son los encargados de transformar la energía solar en energía eléctrica a través de un proceso un tanto complejo, pero que intentaremos explicar de la mejor manera en este artículo.

¿Qué es una celda solar?

Una celda solar fotovoltaica, también llamada célula fotoeléctrica, fotocélula o célula fotovoltaica es un componente electrónico construido para transformar los fotones (energía lumínica) en energía eléctrica. Las celdas solares utilizan el fenómeno llamado efecto fotoeléctrico para cumplir su función y están compuestas principalmente por silicio.

¿Cómo funcionan las celdas solares?

Si queremos entender cómo funciona una celda solar fotovoltaica es necesario primero conocer cómo está conformada. Luego hablaremos de cómo interactúa esta con la luz solar.

Las celdas solares están formadas por dos tipos de material. Por un lado tenemos silicio tipo p o positivo (que va orientado a la parte posterior de la celda) y por otro al silicio tipo n o negativo (el cual se orienta a la luz del sol). Estos materiales son aleaciones de silicio con otros materiales los cuales les brindan ciertas propiedades. El proceso por el cual se combinan el silicio con estos materiales es llamado “dopaje”.

Existen dos tipos de materiales para dopaje: materiales tipo N y tipo P. Los materiales tipo N donan electrones hacia el material semiconductor, el cual se carga negativamente. Ejemplos de estos materiales son el Fósforo (el más utilizado) y Arsénico. Contrariamente los materiales tipo P son “aceptores”, es decir que toman un electrón de otro átomo. Estos electrones tomados dejarán espacios o “huecos” en el material semiconductor, generando así una carga positiva en este.

celda fotovoltaica
Esquema de una celda fotovoltaica

Habiendo explicado cómo funcionan estos materiales, pasaremos a explicar la influencia del efecto fotoeléctrico en la celda solar. El efecto fotoeléctrico es un fenómeno en el cual un fotón de luz solar con suficiente energía “arranca” un electrón de un átomo. Entonces, la luz solar permite que un electrón del material tipo N se desprenda de la celda y es obligado a viajar a través del circuito para llenar los “huecos” en el material tipo P. Cuando el electrón finalmente llega a ocupar ese hueco se dice que se ha “recombinado”.

Es entonces ese flujo constante de electrones lo que permite la aparición de una corriente eléctrica. Todo gracias a la ingeniería de materiales y porsupuesto, a la energía solar.

Tipos de celdas solares

Existen varios tipos de celdas solares, y son tres las más conocidas: amorfa o de capa fina, policristalina y monocristalina. Sin embargo en la actualidad se están desarrollando nuevas tecnologías, una de ellas es la fotovoltaica de alta concentración (HCPV por sus siglas en inglés).

Celda solar de silicio amorfo

panel solar amorfo
Celda solar amorfa

Son la tecnología más barata actualmente, sin embargo sólo alcanzan eficiencias de alrededor del 10%. El silicio amorfo es creado depositando partículas de silicio sobre un substrato o base de vidrio o plástico. Sería algo parecido a “imprimir” un panel solar sobre alguna superficie disponible.

Es esta última característica la que hace de las celdas solares de silicio amorfo la forma más barata de energía solar fotovoltaica en el mercado. Este tipo de celdas solares tiene además otra gran ventaja: el silicio se aprovecha al máximo durante su producción. Como veremos más adelante, en la fabricación de los paneles poli y mono cristalinos se pierde la mitad del silicio como polvo durante el corte de las celdas. Finalmente, las celdas se silicio son más fáciles de producir en masa e incluso de forma artesanal.

Celda solar de silicio policristalino

celda solar policristalina
Las celdas solares policristalinas son cuadradas y poseen distintos tonos

El silicio policristalino se define como pequeños cristales de silicio unidos en un mismo material. Una celda solar de silicio policristalino se puede reconocer porque tiene una gama de tonos distintos (por los múltiples cristales que contiene). Este tipo de celdas tiene eficiencias de entre 13 y 18% en promedio. Sin embargo en condiciones de laboratorio se ha logrado llegar hasta valores de 22%.

Las celdas policristalinas son fabricadas mediante un proceso simple de moldeo. En este proceso el silicio se funde y se deposita en moldes, donde se deja enfriar. Debido a que este enfriamiento no es controlado, el silicio deposita en diferentes capas y concentraciones, lo que da lugar a una baja pureza.

Celda solar de silicio monocristalino

celda solar monocristalina
Celda solar monocristalina (bordes redondeados y color uniforme)

Una celda solar de silicio monocristalino se fabrica en base a bloques o lingotes de silicio cilíndricos que son fabricados a temperaturas de alrededor de los 1400° C y mediante un proceso más complejo y controlado. Los bloques luego se rebanan primero en discos de entre 1/3 a 1/2 milímetro de espesor las cuales se recortan dándoles una forma más o menos cuadrada. De esta manera se aprovecha al máximo el espacio que ocuparían las celdas dentro de un panel solar. Sin embargo, una de las desventajas de este proceso es que en el corte se pierde casi la mitad del silicio utilizado.

Los paneles monocristalinos, debido a su forma inicialmente circular, tienen bordes redondeados y por eso es fácil reconocerlos. Además, tienen un color uniforme, con el mismo tono en toda la celda, a diferencia de los monocristalinos. Son la tecnología más eficiente de las ya mencionadas, con eficiencias de entre 15 y 21%. Aunque en condiciones de laboratorio se ha logrado obtener hasta 26% de eficiencia. Debido a la complejidad de su proceso de fabricación, son los más costosos actualmente.

Celda solar de juntas múltiples

Esta tecnología emergente utiliza múltiples juntas de material tipo p y tipo n, hechas de diferentes matariales semiconductores. La razón de utilizar distintos materiales es porque cada uno reacciona de forma diferente a una determinada longitud de onda de la luz solar. Entonces, en cada junta se aprovechará una parte diferente de los rayos solares y por lo tanto se generará más energía que una junta simple.

celda solar de juntas multiples
Esquema de una celda solar “multijunction” o de juntas múltiples

Como se ha mencionado, la tecnología más eficiente de las de junta simple es la monocristalina, cuya eficiencia en laboratorios no supera el 27%. Sin embargo, las celdas solares de juntas múltiples o “multijunction”, alcanzan eficiencias de hasta 46%.

A pesar de su gran eficiencia el principal inconveniente (como el de muchas tecnologías nuevas) es su alto costo de producción. Es por ello que el uso de estas celdas solares queda restringido por el momento a aplicaciones aeroespaciales y otras. Aunque la reciente “fotovoltaica de alta concentración” está utilizando este tipo de celdas para aprovechar al máximo la energía solar.

¿Cómo hacer una celda solar?

Como se menciono anteriormente, las celdas solares de tipo amorfo o de capa fina pueden ser elaboradas de forma artesanal. Entonces, con los elementos adeacuados cualquier persona podría fabricar sus propias celdas solares en casa.

Aunque nos gustaría explicarles el detalle de la construcción de manera detallada, creemos que una imagen vale más que mil palabras. Por ello les dejamos el enlace de este magnífico tutorial de WikiHow sobre cómo hacer una celda solar casera.

Cómo Hacer una Celda Solar Casera – WikiHow

Cabe recalcar que se tiene que tener mucho cuidado y conocimientos básicos de electricidad para realizar este proceso. Mucha suerte.

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Comentarios (2)

Gracias por esta explicación clara y concreta.

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desde hace años que estoy interesado en conocer este campo gracias por entrar a conocer este campo

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