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Calidad células para paneles solares fotovoltaicas

por: Eliseo Sebastian
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Materia prima de fabricación y su eficiencia

Cómo evaluar la calidad de las placas solares 

1. Generalidades

1.1 El término «celdas solares» es lo mismo que «células solares» conocido también como «placas solares» en otros lugares. Se trata de ‘células solares fotovoltaicas‘ o capas de células solares.

1.2 La célula solar es un semiconductor expuesto a la luz que están inmersos en los llamados ‘fotones’, miles de millones en los Paneles Solares.

1.3 Los fotones ‘luchan’ con los electrones que se encuentran en el Silicio. Arrancan y capturan a los electrones creando en su ‘lucha’ los llamados «huecos».

1.4 El electrón encuentra rápidamente otro hueco para volver a llenarlo y mientras que la energía proporcionada por el fotón, se disipa, busca una salida. Encuentra el cable conductor.

2. Las más conocidas – Mercado

Células y sus Paneles Solares
2.1 Células monocristalinas
  • Cortadas en una sola rebanada de cristal de silicio, textura suave, mejor rendimiento en la generación de energía eléctrica hasta en momentos solares más tenues por calidad de material silicio.
  • Su costo es mayor que las otras. Se obtienen a partir de silicio muy puro, que refunden en un crisol junto con pequeña proporción de boro.  
  • Su eficiencia según la literatura varía entre 15 y 18%.
2.2 Células policristalinas
  • Hechas en secciones o bloques de cristales de silicio y son de menor eficiencia. Se diferencia por su color. 
  • En las células policristalinas, en lugar de partir de un monocristal, dejan solidificar lentamente sobre un molde la pasta de silicio, con lo cual obtienen un sólido formado por muchos pequeños cristales de silicio, que pueden cortarse luego en finas obleas policristalinas. La eficiencia en porcentaje varía de  10 a 14%.
  • El otro de los Policristalinos y los Amorfos de película delgada que involucra a los Policristalinos de Teluro de Cadmio, Cobre-Indio-Selenio y Arseniuro de Galio.
2.3 Células amorfas
  • Manufacturadas mediante la colocación de una fina capa de no cristalinos de silicio sino de una mezcla de variedades de ellos por lo que su fabricación no es complicada como los anteriores además que su eficiencia es menor que las anteriores.
  • Fabricadas a baja temperatura de deposición, permitiendo el uso de varios sustratos de costo menor.
  • Son flexibles y menos duraderas por lo que son las más baratas y menos eficientes (8, 10 %).

2.4 Otras Células por su calidad

  • Teluro de Cadmio (TeCd) (Eficiencia ~ 8-10%).
  • CIS/CIGS (Eficiencia ~ 10-11%).
  • TiO2 (Eficiencia ~ 6-7%).
  • Ribbon Si (Eficiencia ~ 12%).
  • Si alta eficiencia (Eficiencia ~ 17%).
  • GaAs multifunción (Eficiencia ~ 30%).

3. Mejorando el Rendimiento de la Célula Solar

Existen disponibles también las células multicapas hechas de arseniuro de galio. Estas alcanzan eficiencias del 20 %. (según revistas).

Han logrado eficiencia de las células solares hasta casi el 26 %, hasta el momento.

Eficiencia (es decir, el desperdicio de gran cantidad de luz natural en los sistemas actuales). Cálculos.

Un tal Kunta Yoshikawa, de los laboratorios de investigación fotovoltaica de película delgada, Kaneka Corporation, ha presentado la primera célula hecha con ese material con 26,1 % de eficiencia para convertir la luz solar en electricidad. Es decir, conversión en un 2,7 % más respecto al récord anterior que fue de 25,6 %.

Para lograr ese resultado de 26,1 % han desarrollado una estructura basada en la heterojunción -una estructura formada por dos capas- de silicio monocristalino con una capa superior de silicio amorfo, lo que hizo un aumento de la captación de luz solar y su conversión en energía eléctrica.

Las propiedades esenciales del dispositivo tales como vida útil, resistencia en serie y propiedades ópticas deben ser mejoradas simultáneamente para reducir el desperdicio de luz.

La implementación de esa tecnología puede llevar a una eficiencia energética del 29,0 %.

«Los Nuevos Paneles Solares» Buen Comentario Aquí

Según lecturas, la nueva tecnología promete poder funcionar con otros recubrimientos de bajo costo que aún no son lanzados en términos industriales, pero ya hay líneas de hasta 30 % de eficiencia.  Importante hito en el camino hacia la meta de eficiencia del 50 % como esperanza para mejorar la calidad de los arreglos solares, parques, torres, edificios, viviendas rurales, industrias que sean construidas con los Paneles Solares Fotovoltaicos como regalos.

Uso de las Celdas

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4. Para qué sirven las células solares

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 produce la llamada diferencia de potencial y por lo tanto tensión entre las partes del material, como ocurre en una pila común.

Se crea un el ‘campo eléctrico permanente’, a través de una unión ‘PN‘, entre dos capas dopadas respectivamente, ‘P’ y ‘N’.

Recordemos que las Células Solares o Celdas Fotovoltaicas son láminas delgadas fabricadas mayormente de Silicio pero Silicio Cristalino.

5. Efecto fotoeléctrico en las células solares

El Silicio tiene el fenómeno especial para «efecto fotoeléctrico«: absorbe fotones de la luz solar y emite electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, da como resultado la corriente eléctrica.

En una célula fotovoltaica normal, cada fotón arranca exactamente un electrón dentro del material fotovoltaico, luego, ese electrón suelto se aprovecha para transmitirse como una corriente eléctrica.

«Cada fotón puede arrancar dos electrones. Esto hace que el proceso sea mucho más eficiente: En una célula estándar, cualquier exceso de energía transportada por un fotón se pierde en forma de calor, mientras que en el nuevo sistema la energía extra hace que se produzcan dos electrones en vez de uno.»

6. Refuerzos

6.1 Los niveles de impureza del silicio debe estar cercano al «cero» por ciento.

6.2 El requerimiento de hacerlo monocristalino implica un tratamiento especial.

6.3 Los monocristalinos  están entre las más eficientes de las conocidas y por el momento son las que proveen la mejor relación costo/beneficio. Son costosos si se los compara con fuentes convencionales de energía.

6.4 Son las celdas más económicas y de alto rendimiento basado en silicio microcristalino.

6.5 Cuando un elemento cristaliza se ordenan sus átomos de una manera regular.

6.6 La celda monocristalina suele tener un tamaño cercano a los 10 centímetros por lado, es un único cristal, es decir, que si pudiésemos ‘caminar’ pisando cada uno de los átomos de la celda, circularíamos de extremo a extremo de la celda sabiendo exactamente el lugar donde encontraríamos cada uno de los átomos.

6.7 Cuando nos referimos a un silicio microcristalino lo que decimos es que la celda está constituida por un cúmulo de pequeños monocristales de tamaños aproximadamente décimas de milímetros.

6.8 La ventaja de este material es que para su fabricación no pasa por el proceso de cristalización además, es considerablemente costoso.

6.9 Las células solares para ser usadas en los módulos o paneles deben estar protegidos de forma óptima contra las condiciones meteorológicas difíciles.

7. Conclusiones

Gracias a la minería rica en cuarzo – SiO2, la tecnología minero-metalúrgica purifica el Silicio gracias al proceso de reducción con carbono con una pureza tal que están aproximándose al 100 % de Si.

Este Silicio es un gran semiconductor como lo explica la Tabla de Elementos Químicos y funciona como base materia prima para la generación de energía en combinación con los rayos solares.

Cristalizado el Silicio hasta obtener las obleas el procedimiento es la obtención de las celdas o células solares que comentamos aquí arriba.

Vale la pena recordar que hay varias fases para la obtención del Silicio de grado solar llamado «grado semiconductor» formando capas con unión PN mediante deposición de materiales como el fósforo para las partes N y el boro para las partes P, así de sencillo.

Forman luego los contactos metálicos de la célula en forma de rejilla en la cara iluminada por el Sol y el lado contrario mediante procedimientos serigráficos y láser hasta verse en forma de rejilla para hacer que pase la luz y la extracción de corriente al mismo tiempo.

La mayoría de células miden 75 cm² que responden a una medida diferencial de potencia de 0.4 V y energía de 1.0 Watt. Las células tienen su capa antireflexiva, esto es para mejorar la absorción de la radiación solar. Hoy por hoy existen fabricantes que nos entregan células fotovoltaicas tanto monocristalinas o policristalino, además de otros materiales para la fabricación de células solares es el Silicio amorfo.

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