Hoy día es frecuente observar la presencia de paneles solares fotovoltaicos en zonas urbanas, comerciales e industriales. Esto es producto de los grandes beneficios que ofrece el aprovechamiento de la energía solar, mediante su transformación en energía fotoeléctrica. No obstante, es común que muchas personas confundan las células fotovoltaicas con los paneles, y viceversa. Por tanto, en este post te explicaremos detalladamente todo lo que necesitas saber sobre las celdas fotovoltaicas, como también se les conoce.

¿Qué son las células fotovoltaicas?

Las células fotovoltaicas, o células solares, son los elementos básicos activos que conforman un panel fotovoltaico. Es decir, cada panel fotovoltaico está conformado por un grupo de celdas fotovoltaicas, las cuales van interconectadas eléctricamente en serie o en paralelo.

Las células solares son dispositivos electrónicos semiconductores que generan un voltaje, cuando son expuestos a la radiación solar visible. Básicamente, cada célula tiene dos capas de materiales semiconductores muy finos, que están en contacto por una de sus caras. Las caras exteriores de ambas capas poseen electrodos metálicos, para colectar el voltaje que se genere en la célula. El material de la capa superior, por donde incide la luz solar, es tipo N, y el material de la capa inferior es tipo P.

¿Cómo funcionan las células solares?

Cuando la luz llega a la zona de contacto de los materiales N y P de las células fotovoltaicas, los electrones se desplazan hacia la capa N. De esta manera, se genera un voltaje o diferencia de potencial eléctrico entre ambas capas de las células. Esta diferencia de potencial se mantiene constante, mientras la luz continúe incidiendo en cada célula. El valor del voltaje dependerá del tipo de semiconductor con que estén hechas las celdas. Por otra parte, la corriente eléctrica que proporcionan las células será proporcional a la cantidad de luz solar incidente y a la carga conectada.

Tipos de celdas fotovoltaicas

La clasificación de las células fotovoltaicas se hace fundamentalmente en función del material de fabricación de las mismas. En este sentido, existen paneles solares fotovoltaicos de células de silicio, teluro de cadmio (CdTe), arseniuro de galio (GaAs) y seleniuro de galio indio-cobre (CIGS). Entre los nuevos tipos de células fotovoltaicas, destacan las de perovskita (PSC), el cual es un compuesto de carbonato de calcio, estroncio, oxígeno y titanio.

Cabe destacar que las celdas de silicio son las más utilizadas en el mundo, debido a su relativo bajo coste y gran durabilidad. Además, los procesos de fabricación de las células de silicio han alcanzado mucha madurez y versatilidad, en comparación a los otros tipos de celdas.

¿Cuántos tipos de células fotovoltaicas hay hoy en el mercado?

Los tipos de celdas fotovoltaicas más comunes en el mercado de paneles solares fotovoltaicos son las de silicio. Estas se subdividen en celdas monocristalinas (M-Si), celdas policristalinas (P-Si) y celdas amorfas (a-Si).

Las celdas monocristalinas están constituidas por obleas de silicio de un solo cristal, y presentan un color gris oscuro. Sin embargo, las celdas policristalinas se componen de obleas de silicio de múltiples cristales, las cuales son de color azul. Por último, las celdas amorfas son delgadas películas de silicio, cuyos átomos no poseen un ordenamiento cristalino.

Proceso de fabricación de las celdas solares

Cada uno de los tipos de células fotovoltaicas mencionadas anteriormente tienen un proceso diferente de fabricación. En este post nos centraremos en el proceso de fabricación de las celdas solares de silicio monocristalinas y policristalinas, que son las más empleadas.

A partir de la sílice (óxido de silicio), mediante un proceso químico de reducción, se obtiene silicio metalúrgico, con 98 % de pureza. Posteriormente, en un segundo proceso de purificación se obtiene el silicio puro (99,99 %), que es la base para fabricar semiconductores y celdas fotovoltaicas.

El siguiente paso consiste en fundir el silicio puro y colocarlo en crisoles de cuarzo, en una atmósfera de argón a baja presión. Para producir los lingotes cilíndricos monocristalinos, se hacen rotar los crisoles, hasta lograr que los átomos se organicen formando un solo cristal. Si lo que se quiere son lingotes policristalinos, se coloca el silicio fundido en crisoles cuadrados de grafito o cuarzo, y se dejan enfriar controladamente.

Posteriormente, se cortan los lingotes de silicio en obleas de 0,25 o 0,40 milímetros, empleando hilos de acero inoxidable en movimiento. A continuación, se procede al dopado de las obleas con boro y fósforo, para producir las obleas tipo p y n, respectivamente. Luego, se coloca una capa de material antirreflectante sobre la superficie de las obleas. Finalmente, empleando plata, se depositan por serigrafía los contactos de las obleas, a alta temperatura.

Comparativa de las principales células fotovoltaicas

Los aspectos a tomar en cuenta, para comparar los distintos tipos de celdas fotovoltaicas, son la eficiencia, temperatura de funcionamiento, precio y vida útil. Por ejemplo, las celdas solares monocristalinas de silicio alcanzan un 20 % de eficiencia, superando a las policristalinas (15%) y amorfas (10%). Sin embargo, las celdas policristalinas y amorfas tienen un coste significativamente menor que las monocristalinas. Por otra parte, las celdas policristalinas son más adecuadas para trabajar en regiones de clima cálido, mientras que las monocristalinas funcionan mejor en climas fríos.

Las células fotovoltaicas de arseniuro de galio alcanzan una eficiencia del 31 %, superando a cualquier celda de silicio. Además, son celdas flexibles y no pierden su eficiencia trabajando a altas temperaturas. Sin embargo, las celdas de arseniuro de galio tienen precios mucho mayores que las de silicio, por lo cual solo se usan en sistemas aeroespaciales.

Con relación a las células de teluro de cadmio, hay que resaltar que actualmente estas compiten con las de silicio policristalino. Esto se debe a que las células de teluro de cadmio han aumentado paulatinamente su eficiencia al 15 %, pero sus precios han disminuido significativamente. Por otro lado, las células de teluro de cadmio tienen las mismas ventajas de flexibilidad y bajo peso que las celdas de silicio amorfo.

Por otra parte, las células fotovoltaicas de silicio amorfo son mucho más económicas que todas las celdas mencionadas anteriormente. Sin embargo, estas celdas solares tienen la menor eficiencia (10 %).

El futuro de la tecnología de las células fotovoltaicas

Se estima que en 2030, la producción de energía fotovoltaica y eólica supere el 30 %, con relación a todas las fuentes de energía eléctrica, en el mundo. Por otra parte, en comparación con los sistemas eólicos, los sistemas fotovoltaicos tienen grandes ventajas. Por ejemplo, los sistemas fotoeléctricos pueden montarse en casi cualquier lugar, a baja altura, y no tienen partes móviles.

Las investigaciones científicas en el campo de las células solares se enfocan en la búsqueda de nuevos materiales, y también en mejorar la eficiencia y durabilidad. Además, tales investigaciones buscan aumentar la productividad y abaratar los costes de los procesos de fabricación de las celdas solares. De esta manera, la instalación de sistemas fotovoltaicos será cada vez más asequible a las personas.

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