Célula fotoeléctrica


Célula fotoeléctrica

Célula fotoeléctrica

Celda fotovoltaica policristalina solar de 4 pulgadas

Una célula fotoeléctrica, también llamada célula, fotocélula o celda fotovoltaica, es un dispositivo electrónico que permite transformar la energía luminosa (fotones) en energía eléctrica (electrones) mediante el efecto fotovoltaico.

Compuestos de un material que presenta efecto fotoeléctrico: absorben fotones de luz y emiten electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad.

La eficiencia de conversión media obtenida por las células disponibles comercialmente (producidas a partir de silicio monocristalino) está alrededor del 11-12%, pero según la tecnología utilizada varía desde el 6% de las células de silicio amorfo hasta el 14-19% de las células de silicio monocristalino. También existen Las células multicapa, normalmente de Arseniuro de Galio, que alcanzan eficiencias del 30%. En laboratorio se ha superado el 42% con nuevos paneles experimentales.

La vida útil media a máximo rendimiento se sitúa en torno a los 25 años, período a partir del cual la potencia entregada disminuye.

Al grupo de células fotoeléctricas para energía solar se le conoce como panel fotovoltaico. Los paneles fotovoltaicos consisten en una red de células solares conectadas como circuito en serie para aumentar la tensión de salida hasta el valor deseado (usualmente se utilizan 12V ó 24V) a la vez que se conectan varias redes como circuito paralelo para aumentar la corriente eléctrica que es capaz de proporcionar el dispositivo.

El tipo de corriente eléctrica que proporcionan es corriente continua, por lo que si necesitamos corriente alterna o aumentar su tensión, tendremos que añadir un inversor y/o un convertidor de potencia


Contenido

Principio de funcionamiento

En un semiconductor expuesto a la luz, un [[fotón] de energía arranca en electrón, creando al pasar un «hueco». Normalmente, el electrón encuentra rápidamente un hueco para volver a llenarlo, y la energía proporcionada por el fotón, pues, se disipa. El principio de una célula fotovoltaica es obligar a los electrones y a los huecos a avanzar hacia el lado opuesto del material en lugar de simplemente recombinarse en él: así, se producirá una diferencia de potencial y por lo tanto tensión entre las dos partes del material, como ocurre en una pila.

Para ello, se crea un campo eléctrico permanente, a través de un unión PN, entre dos capas dopadas respectivamente, P y N:

Estructura de una célula fotovoltaica
  • La capa superior de la celda se compone de silicio dopado de tipo N [1] . En esta capa, hay un número de electrones libres mayor que una capa de silicio puro, de ahí el nombre del dopaje N, como carga negativa (electrones). El material permanece eléctricamente neutro: es la red cristalina quien tiene globalmente una carga positiva.
  • La capa inferior de la celda se compone de silicio dopado de tipo P.[2] Esta capa tiene por lo tanto una cantidad media de electrones libres menor que una capa de silicio puro, los electrones están ligados a la red cristalina que, en consecuencia, está cargada positivamente. La conducción eléctrica está asegurada por los huecos, positivos (P).

En el momento de la creación de la unión PN, los electrones libres de la capa N entran enla capa P y se recombinan con los huecos en la región P. Existirá así durante toda la vida de la unión, una carga positiva en la región N a lo largo de la unión (porque faltan electrones) y una carga negativa en la región en P a lo largo de la unión (porque los huecos han desaparecido); el conjunto forma la «Zona de Carga de Espacio» (ZCE) y existe un campo eléctrico entre las dos, de N hacia P. Este campo eléctrico hace de la ZCE un [diodo]], que solo permite el flujo de corriente en una dirección: los electrones pueden moverse de la región P a la N, pero no en la dirección opuesta y por el contrario los huecos no pasan más que de N hacia P.no

En funcionamiento, cuando un fotón arranca un electrón a la matriz, creando un electrón libre y un hueco, bajo el efecto de este campo eléctrico cada uno va en dirección opuesta: los electrones se acumulan en la región N (para convertirse en polo negativo), mientras que los huecos se acumulan en la región dopada P (que se convierte en el polo positivo). Este fenómeno es más eficaz en la (ZCE), donde casi no hay portadores de carga (electrones o huecos), ya que son anulados, o en la cercanía inmediata a la (ZCE): cuando un fotón crea un par electrón-hueco, se separaron y es improbable que encuentren a su opuesto, pero si la creación tiene lugar en un sitio más alejado de la unión, el electrón (convertido en hueco) mantiene una gran oportunidad para recombinarse antes de llegar a la zona N (resp. la zona P). Pero la ZCE es necesariamente muy delgada, así que no es útil dar un gran espesor a la célula [3] .

En suma, una célula fotovoltaica es el equivalente de un Generador de Energía a la que hemos añadido un diodo.

Es preciso añadir contactos eléctricos (que permitan pasar la luz: en la práctica, mediante un contacto de rejilla, una capa antireflectante para garantizar la correcta absorción de fotones, etc.

Para que la célula funcione, y produzca la potencia máxima de corriente se le añade la banda prohibida de los semiconductores a nivel de energía de los fotones. Es posible aumentar las uniones a fin de explotar al máximo el espectro de energía de los fotones, lo que produce las células multijuntas.

Técnica de fabricación

El silicio es actualmente el material más comúnmente usado para la fabricación de células fotovoltaicas. Se obtiene por reducción de la sílice, compuesto más abundante en la corteza de la Tierra, en particular en la arena o el cuarzo. El primer paso es la producción de silicio metalúrgico, puro al 98%, obtenido de pedazos de piedras de cuarzo provenientes de un filón mineral (la técnica de producción industrial no parte de la arena). El silicio de calidad fotovoltaica debe ser purificado hasta alcanzar más de 99,999%, que se obtiene mediante la conversión del silicio en un compuesto químico que se destila y luego vuelve a transformarse en silicio.

El silicio se produce en barras llamadas «lingotes» de sección redonda o cuadrada. Estos lingotes son luego cortados en láminas delgadas cuadradas (si es necesario) de 200 micrómetros de espesor, que se llaman «obleas». Después del tratamiento para la inyección del enriquecido con dopante (P As SB o B) y obtener así los semiconductores de silicio tipo P o N, las obleas son «metalizadas»: unas cintas de metal se incrustan en la superficie y se conectan a contactos eléctricos. Una vez que las obleas se metalizan se han convertido en células solares.

La producción de células fotovoltaicas requiere energía, y se estima que un módulo fotovoltaico debe trabajar alrededor de 2 a 3 años [4] según su tecnología para producir la energía que fue necesaria para su producción (módulo de retorno de energía).

Las técnicas de fabricación y características de los principales tipos de células se describen en los siguientes 3 párrafos. Existen otros tipos de células que están en estudio, pero su uso es casi insignificante.

Los materiales y procesos de fabricación son objeto de programas de investigación ambiciosos para reducir el costo y el reciclado de las células fotovoltaicas. Las tecnologías de película delgada sobre sustratos sin marcar recibir la aceptación de la industria más moserna. En 2006 y 2007, el crecimiento de la producción mundial de paneles solares se ha visto obstaculizado por la falta de células de silicio y los precios no han caído tanto como se esperaba. La industria busca reducir la cantidad de silicio utilizado. Las células monocristalinas han pasado de 300 micras de espesor a 200 y se piensa que llegarán rápidamente a las 180 y 150 micras, reduciendo la cantidad de silicio y la energía requerida, así como también el precio.

Células de silicio amorfo

El silicio durante su transformación, produce un gas que se proyecta sobre una lámina de vidrio. La celda es gris muy oscuro. Es la célula de las calculadoras y relojes llamados de «solares».

  • Ventajas:
    • Funciona con una luz difusa baja (incluso en días nublados),
    • Un poco menos costosa que otras tecnologías,
    • Integración sobre soporte flexible o rígido.
  • Inconvenientes:
    • Rendimiento a pleno sol bajo, del 5% al 7% [5] ,
    • Rendimiento decreciente con el tiempo (~7%).

Célula de silicio monocristalino

Solar cell.png

Al enfriarse, el silicio fundido se solidifica formando solo un único cristal de grandes dimensiones . Luego se corta el cristal en delgadas capas que dan lugar a las células. Estas células generalmente son un azul uniforme.

  • Ventajas:
    • Buen rendimiento de 14% al 16% [5] ,
    • Buena relación Wp m² (~150 WC/m², lo que ahorra espacio en caso necesario
    • Número de fabricantes elevado.
  • Inconvenientes:
    • Coste elevado

Células de silicio multicristalino

Una célula fotovoltaica basada en silicio muticristalino

Durante el enfriamiento de silicio en un molde se forman varios cristales. La fotocélula es de aspecto azulado, pero no es uniforme, se distinguen diferentes colores creados por los diferentes cristales.

  • Ventajas:
    • Células cuadradas (con bordes redondeados en el caso de Si monocristalino) que permite un mejor funcionamiento en un módulo,
    • Eficiencia de conversión óptima, alrededor de 100 Wp/m², pero un poco menor que en el monocristalino
    • Lingote más barato de producir que el monocristalino.
  • Inconveniente
    • Bajo rendimiento en condiciones de iluminación baja.

¿Policristalino o multicristalino? Hablamos aquí de silicio muticristalino (réf. IEC TS 61836, vocabulario fotovoltaico internacional ). El término policristalino se utiliza para las capas depositadas sobre un sustrato (granos pequeños).

Célula Tándem

Apilamiento monolítico de dos células individuales. Mediante la combinación de dos células (capa delgada de silicio amorfo sobre silicio cristalino, por ejemplo) que absorben en el espectro al mismo tiempo se solapan, mejorando el rendimiento en comparación con las células individuales separadas, sean amorfas, cristalinas o microcristalinas.

  • Ventajas
    • Alta sensibilidad en un amplio rango de longitudes de onda. Excelente rendimiento.
  • Desventaja
    • El costo es alto debido a la superposición de dos células.

Célula multiunión

Estas células tienen una alta eficiencia y han sido desarrolladas para aplicaciones espaciales. Las células multiunión están compuestas de varias capas delgadas usando la epitaxia por haz molecular.

Un células de triple unión, por ejemplo, se compone de semiconductores GaAs, Ge y GaInP2. Cada tipo de semiconductores se caracteriza por un máximo de longitud de onda más allá del cual no es capaz de convertir los fotones en energía eléctrica (ver banda prohibida). Por otro lado, por debajo de esta longitud de onda, el exceso de energía transportada por el fotón se pierde. De ahí el valor de la selección de materiales con longitudes de onda tan cerca el uno al otro como sea posible, de forma que absorban la mayoría del espectro solar, generando un máximo de electricidad a partir del flujo solar. El uso de materiales compuestos de cajas cuánticas permitirá llegar al 65% en el futuro (con un máximo teórico de 87%). Los dispositivos de células de uniones múltiples GaAs son más eficaces. Spectrolab ha logrado el 40,7% de eficiencia (diciembre de 2006) y un consorcio (liderado por investigadores de la Universidad de Delaware) ha obtenido un rendimiento de 42,8%[6] (septiembre 2007). El coste de estas células es de aproximadamente USD 40 $/cm².

El semiconductor fbi

La técnica consiste en depositar un material semiconductor que contiene cobre, galio, indio y selenio sobre un soporte.

Una preocupación, sin embargo: los recursos de materias primas. Estas nuevas técnicas utilizan metales raros, como indio, cuya producción mundial es de 25 toneladas por año y el precio a fecha de abril del 2007 es de 1.000 dólares por kg; el teluro , cuya producción mundial es de 250 toneladas al año; el galio con una producción de 55 toneladas al año y el germanio con una producción de 90 toneladas al año. Aunque las cantidades de estas materias primas necesarias para la fabricación de células solares son infinitesimales, un desarrollo masivo de paneles fotovoltaicos solares debería tener en cuenta esta disponibilidad limitada.

Uso

Las células fotovoltaicas se utilizan a veces solas (iluminación de jardín, calculadoras, ...) o agrupadas en paneles solares fotovoltaicos.

Se utilizan para reemplazar a las baterías (cuya energía es con mucho la más cara para el usuario), las células han invadido las calculadoras, relojes, aparatos, etc.

Es posible aumentar su rango de utilización almacenándola mediante un ( condensador o pilas). Cuando se utiliza con un dispositivo para almacenar energía, es necesario colocar un diodo en serie para evitar la descarga del sistema durante la noche.

Se utilizan para producir electricidad para muchas aplicaciones (satélites, parquímetros, ...), y para la alimentación de los hogares o en una red pública en el caso de una central solar fotovoltaica.

Investigación y desarrollo

Paneles fotovoltaicos

La técnica no ha alcanzado la madurez y muchas vías de investigación están siendo exploradas, primero se debe reducir el costo de la electricidad producida, y también avanzar en la resistencia de los materiales, flexibilidad de uso, facilidad de integración en los objetos, en la vida, etc.). Todas las etapas de los procesos de fabricación se puede mejorar, por ejemplo:

  • La empresa «Evergreen Solar» ha conseguido realizar el depósito de silicio todavía líquido en una película donde se cristaliza directamente con el espesor preciso de la lámina.
  • La empresa "Nanosolar" ha industrializado la producción de células CGIS mediante una técnica de impresión en continuo, esperando un costo de 1 $/W en el año 2010.
  • Todas las compañías han anunciado sucesivos aumentos de la eficiencia de sus células.
  • El tamaño de las obleas está creciendo de manera constante, reduciendo el número de manipulaciones
  • Se trata de utilizar mejor todas las longitudes de onda del espectro solar (incluyendo el infrarrojo, lo que abre perspectivas interesantes: la conversión directa de la luz de una llama en electricidad, refrigeración).
  • Concentradores(ya utilizados en los satélites) se están probando en la tierra. A través de espejos y lentes incrustados en el panel, focalizan la radiación en la célula fotovoltaica A finales de 2007, Sharp ha anunciado la disponibilidad de un sistema de enfoque hasta 1100 veces la radiación solar (contra 700 veces para la marca previa de 2005); a principios de 2008, Sunrgi ha alcanzado 1600 veces. La concentración permite disminuir la proporción de los grupos de paneles dedicados a la producción de electricidad, y por lo tanto su coste. Por otra parte, estos nuevos materiales soportan muy bien la elevada temperatura debida a la concentración del flujo solar.[7]
  • Se está estudiando también la posibilidad de unir el silicio amorfo y el cristalino por heterounión en una célula solar más simple de más del 20% de eficiencia. Proyecto de 2 años anunciado a principios de 2008, con la participación del Laboratorio de Innovación para Nuevas Tecnologías Energéticas y Nanomaterials del CEA-Liten y la empresa coreana JUSUNG (proveedor de equipamiento para los fabricantes de semiconductores), con el INES (Savoy) donde la CEA-Liten ha concentrado sus actividades en la energía solar.
  • Otros semiconductores (selenio;asociación cobre-indio-selenio (CIS) de película fina) se están estudiando por ejemplo en Francia por el instituto de investigación y desarrollo en energía fotovoltaica (IRDEP [8] ). El CIS parece ofrecer un modesto rendimiento del 12%, pero con bajo costo de fabricación.
  • Los compuestos orgánicos de (materias plásticas) también pueden ser usadas para hacer células fotovoltaicas de polímeros, y podría llegar a hacerse paneles flexibles y ligeros, azulejos, tejidos o velas solares, es de esperar que de fabricación a bajo coste. En la actualidad los rendimientos son bajos (5% como máximo), así como su vida, y aún quedan muchos problemas técnicos por resolver. A principios de 2008, el grupo japonés Fujikura anunciaba[9] haber puesto a prueba (1000 horas a 85° C y con una humedad del 85%) unas células fotovoltaicas orgánicas de tipo Grätzel no sólo más resistente, sino que su rendimiento mejoró del 50 al 70% con una superficie rugosa que distribuye al azar la luz reflejada dentro de la célula donde se liberan de nuevo las cargas eléctricas mediante la activación de otros pigmentos fotosensibles.
  • Un equipo de EE.UU. de Boston College en Chestnut Hill (Massachusetts) ha desarrollado paneles solares capaces de recuperar el espectro infrarrojo y convertirlo en electricidad. Esto permitiría la producción de electricidad a partir de cualquier fuente de calor, incluso por la noche [10] . Hasta ahora, sólo una parte de la radiación de la luz visible, predominantemente verde y azul, se transformaba en electricidad y la radiación infrarroja se utilizaba en los paneles térmicos para calentar el agua.
  • Asimismo, se pretende fabricar células transparentes; modelos impulsados por el Instituto alemán Fraunhofer para la Mecánica de Materiales (IWM; proyecto "METCO"[11] sugieren que las células transparentes bicapa podrían algún día ser producidas industrialmente. los semiconductores de tipo P transparentes parecen más difíciles de producir (el fósforo podría ser un dopante-P del óxido de zinc, pero el nitrógeno parece ser más prometedor.[12] )
  • Por último, la escasez de silicio o de productos dopantes (el precio de indio se ha multiplicado por diez desde 2002 hasta 2009 tras su rarefacción) aumenta aún más los incentivo para la innovación de un mercado en fuerte crecimiento que parece enorme, sobre todo si se puede reducir el costo de la electricidad y acercarlo al de los combustibles fósiles.

Las tres generaciones de células fotoeléctricas

Del artículo: Solar Cell[13]

Las células fotoeléctricas se clasifican en tres generaciones que indican el orden de importancia y relevancia que han tenido históricamente. En el presente hay investigación en las tres generaciones mientras que las tecnologías de la primera generación son las que más están representadas en la producción comercial con el 89.6% de producción en 2007.

Primera Generación

Las células de la primera generación tienen gran superficie, alta calidad y se pueden unir fácilmente. Las tecnologías de la primera generación no permiten ya avances significativos en la reducción de los costes de producción. Los dispositivos formados por la unión de células de silicio se están acercando al límite de eficacia teórica que es del 31%[14] y tienen un periodo de amortización de 5-7 años.[15]

La Segunda Generación

Los materiales de la segunda generación han sido desarrollados para satisfacer las necesidades de suministro de energía y el mantenimiento de los costes de producción de las células solares. Las técnicas de fabricación alternativas, como la deposición química de vapor, y la galvanoplastia tiene más ventajas,[16] ya que reducen la temperatura del proceso de forma significativa.

Uno de los materiales con más éxito en la segunda generación han sido las películas finas de teluro de cadmio (CdTe), CIGS, de silicio amorfo y de silicio microamorfo. Estos materiales se aplican en una película fina en un sustrato de apoyo tal como el vidrio o la cerámica, la reducción de material y por lo tanto de los costos es significativa. Estas tecnologías prometen hacer mayores las eficiencias de conversión, en particular, el CIGS-CIS, el DSC y el CdTe que son los que ofrecen los costes de producción significativamente más baratos. Estas tecnologías pueden tener eficiencias de conversión más altas combinadas con costos de producción más baratos.

Entre los fabricantes, existe una tendencia hacia las tecnologías de la segunda generación, pero la comercialización de estas tecnologías ha sido difícil. [17] En 2007, First Solar produjo 200 MW de células fotoeléctricas de CdTe, el quinto fabricante más grande de células en 2007. [17] Wurth Solar comercializó su tecnología de CIGS en 2007 produciendo 15 MW. Nanosolar comercializó su tecnología de CIGS en 2007 y con una capacidad de producción de 430 MW para 2008 en los EEUU y Alemania.[18] Honda, también comenzó a comercializar su base de paneles solares CIGS en 2008.

En 2007, la producción de CdTe representó 4.7% del mercado, el silicio de película fina el 5.2%, y el CIGS 0.5%.[17]

Tercera generación

Se denominan células solares de tercera generación a aquellas que permiten eficiencias de conversión eléctrica teóricas mucho mayores que las actuales y a un precio de producción mucho menor. La investigación actual se dirige a la eficiencia de conversión del 30-60%, manteniendo los materiales y técnicas de fabricación a un bajo costo.[14] Se puede sobrepasar el límite teórico de eficiencia de conversión de energía solar para un solo material, que fue calculado en 1961 por Shockley y Queisser en el 31%[19]

Existen diversos métodos para lograr esta alta eficiencia incluido el uso de célula fotovoltaica con multiunión, la concentración del espectro incidente, el uso de la generación térmica por luz ultravioleta para aumentar la tensión, o el uso del espectro infrarrojo para la actividad nocturna

Hoja de ruta de la energía fotovoltaica

Éstos son algunos de los objetivos que la industria japonesa se ha propuesto:

Tema Objetivo para el 2010 Objetivo para 2020 Objetivo para 2030
Coste de producción 100 yen/watt 75 yen/watt <50 yen/watt
Duración de vida - +30 años -
Consumo de materia prima - - 1 g/watt
Costo del conversor - - 15 000 yen/kW
Ccosto de la batería - 10 yen/Wh -
Eficiencia de la célula cristalina 20 % 25 % 25 %
Eficiencia de la célula de capa delgada 15 % 18 % 20 %
Eficiencia de la célula CIS 19 % 25 % 25 %
Eficiencia de la célula III-V 40 % 45 % 50 %
Eficiencia de la célula "Dye Sensitized" 10 % 15 % 18 %

Fuente Nedo (Japón), 134.62 yen = 1 €, agosto 2009

Véase también

Referencias

  1. una pequeña proporción de átomos de silicio se sustituye por un elemento de valencia superior en la tabla periódica, es decir, que tiene más electrones en su capa de valencia que el silicio. El silicio tiene 4 electrones en su capa de valencia: se pueden utilizar elementos del columna 15, por ejemplo, fósforo.
  2. por un elemento de valencia menor que el silicio. Puede ser boro (B) u otro elemento de la columna 13
  3. Sin embargo, se le puede dar una forma ondulada, para aumentar la superficie activa
  4. [AIE http://www.eupvplatform.org/fileadmin/Documents/Brochure-indicateurs_26_pays.pdf - En comparación con la evaluación de diversos indicadores ambientales de la electricidad fotovoltaica en las ciudades de la OCDE]PDF
  5. a b «Cours solaire thermique - INES Education».
  6. [http://www.greencarcongress.com/2007/07/ud-led-team-set.html Green Car Congress: UD-Led Team Sets Solar Cell Efficiency Record of 42.8%; Joins DuPont on $100M Project
  7. Fuente TNKS/Nni20071205D05JSN05.htm: Nikkei Net (2007 12 06) , Boletín de la Embajada de Francia
  8. Instituto participación de FED CNRS y Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris (ENSCP)
  9. Nikkei Net - 04/02/2008
  10. news/t/developpement-durable-1/d/lenergie-de-demain-sera-t-elle-tiree-de-linfrarouge_16390 /La voluntad Future Energy adquirió en el infrarrojo? el futurascience.
  11. de viabilidad y de los sistemas de evaluación y transparente de película fina conductores de electricidad con capas de semiconductores de óxido(Machbarkeit und leitfähiger Evaluierung Transparenter Dünnfilmsysteme elektrisch und mit oxidischen Halbleiterschichten)
  12. Fuente BE Alemania N º 441, de la Embajada de Francia en Alemania ADIT (17/06/2009), citando a -electroniques.com/CUrDs - Comunicado de prensa 06/2009 Fraunhofer
  13. «Solar Cell» (en inglés).
  14. a b Green, Martin A (April 2002). «Third generation photovoltaics: solar cells for 2020 and beyond» Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. Vol. 14. n.º 1-2. pp. 65–70. DOI 10.1016/S1386-9477(02)00361-2.
  15. «What is the Energy Payback for PV?» (PDF). Consultado el 2008-12-30.
  16. "de IBM el 12% de eficiencia de la CEI de la célula solar preparado mediante un proceso de solución de hidracina"
  17. a b c  «Market Survey: Cell & Module Production 2007» Photon International. pp. 140–174.
  18. Largest Solar Cell Factory Coming to Bay Area
  19. School of Photovoltaic and Renewable Energy Engineering, UNSW: Third Generation Photovoltaics

Enlaces externos

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