6.5: Células Solares
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Eficiencia de Celdas Solares
Los dispositivos de conversión de energía nunca son 100% eficientes. La eficiencia se define como la potencia de salida sobre la potencia de entrada. La eficiencia de una célula solar a menudo se define como la relación entre la salida de energía eléctrica y la potencia óptica en el dispositivo.
\[\eta_{ef \, f} = \frac{P_{electrical \; out}}{P_{optical \; in}} \nonumber \]
No toda la luz solar llega a una célula solar porque parte de ella es absorbida por la atmósfera terrestre. Esta absorción atmosférica depende fuertemente de la longitud de onda. La Figura 6.4.5 es una gráfica de la transmisividad de la atmósfera en función de la longitud de onda. Se traza el porcentaje de luz que pasa a través de la atmósfera sin ser absorbida. Algunos gases en la atmósfera, como el vapor de agua y\(\text{CO}_2\), absorben una cantidad significativa de energía a longitudes de onda particulares. La cifra indica qué gas es responsable de la absorción atmosférica en algunas longitudes de onda particulares. Por ejemplo, el ozono\(\text{O}_3\) absorbe la luz ultravioleta. El ozono en la atmósfera ofrece beneficios porque la luz ultravioleta puede dañar los ojos y la piel. La intensidad de la energía óptica del sol que golpea una célula solar varía de un día a otro y de una ubicación a otra. En una zona soleada y luminosa, una célula solar puede recibir alrededor de\(0.1 \frac{W}{cm^2}\) [73, p. 7].
Incluso si la energía de la luz solar llega a una célula solar, la energía no se convierte en electricidad con una eficiencia perfecta. Existen múltiples razones para esta ineficiencia, y algunas de estas razones se relacionan con el hecho de que no toda la luz que incide en una célula solar es absorbida. La luz puede calentar la célula solar en lugar de excitar electrones para crear pares electrón-agujero [74]. Alternativamente, la luz puede reflejarse en la superficie de la célula solar [74]. Muchas células solares tienen un recubrimiento antirreflejo para reducir los reflejos, pero no se eliminan. La superficie de otras células solares se fabrica para ser rugosa en lugar de lisa para reducir los reflejos. Además, si un fotón golpea un electrón que ya está excitado, el fotón no será absorbido. Adicionalmente, las células solares tienen cables en toda la superficie para capturar la electricidad producida. Estos cables suelen ser delgados y en una configuración similar a un dedo. La luz que golpea estos cables no llega a la porción semiconductora de la célula solar y no se convierte eficientemente en electricidad. Para reducir este problema, los cables de algunas células solares están hechos de materiales que son conductores parcialmente transparentes, como el óxido de indio y estaño u óxido de estaño\(\text{SnO}_2\) [74]. El óxido de indio y estaño es un conductor transparente con una conductividad eléctrica moderadamente alta de\(\sigma = 10^6 \frac{1} {\Omega \cdot m}\) [75].
Otras razones por las que las células solares no son perfectamente eficientes tienen que ver con lo que sucede después de que un fotón excita a un electrón. Un electrón puede estar excitado, pero puede descomponerse antes de que sea barrido de la unión [74]. Un fotón puede excitar un electrón a un nivel por encima de la banda de conducción, pero el electrón puede decaer rápidamente hasta la parte superior de la banda de conducción perdiendo algo de energía al calor. La resistencia interna en las regiones de tipo n o tipo p a granel puede convertir la electricidad en calor. También puede haber resistencia interna de cableado en el sistema. Además, las cargas incomparables hacen que las células solares sean menos eficientes que las cargas coincidentes [74].
El voltaje transversal y la corriente producida por una célula solar iluminada son ambas funciones de temperatura. La referencia [76] demuestra, tanto teórica como experimentalmente, que la eficiencia de una célula solar disminuye a medida que aumenta la temperatura. Una serie de mecanismos que ocurren en una célula solar dependen de la temperatura. Primero, a medida que aumenta la temperatura, los niveles de energía permitidos se amplían. Por esta razón, la brecha de energía\(E_g\), que es proporcional a la tensión producida por la célula solar, es menor a temperaturas más altas. A medida que aumenta la temperatura, este voltaje producido por la célula solar disminuye aproximadamente linealmente [76]. Segundo, la corriente debida a la recombinación de pares electrón-agujero en la unión es una función de la temperatura. A temperaturas más altas, más pares electrón-agujero se recombinan en la unión, por lo que la corriente general producida por la célula solar es menor. Por esta razón, a medida que aumenta la temperatura, la corriente general producida por la célula solar disminuye aproximadamente exponencialmente [76]. Esta eect en la corriente es la razón principal por la que la eficiencia de las células solares depende de la temperatura. Otros mecanismos son dependientes de la temperatura, pero son menos significativos [76].
Tecnologías de Celdas Solares
Se están desarrollando cuatro tecnologías principales de células solares: células cristalinas, de película delgada, celdas multiunión y tecnologías fotovoltaicas emergentes [77]. Sin embargo, estas categorías no son distintas porque algunas células solares encajan en múltiples categorías simultáneamente. La figura\(\PageIndex{1}\), de [77], compara las células solares de estas tecnologías. Más específicamente, muestra eficiencias récord para cada uno de estos tipos de células solares así como el año en que se lograron los registros.
La primera categoría es cristalina, y estas células pueden estar hechas de monocristales o de material policristalino [78]. La primera generación de células solares se realizó con esta tecnología. Para una receta sencilla de cómo producir una célula solar cristalina, ver [69]. La mayoría de las células solares producidas hoy en día, alrededor del 80% del mercado, son células de silicio en esta categoría. La eficiencia típica de una célula solar cristalina disponible hoy en día puede ser de alrededor del 20% [78]. Las células solares policristalinas suelen ser más baratas y un poco menos eficientes que las células monocristalinas.
La segunda categoría es la película delgada. Para hacer estas células solares, se depositan películas delgadas de semiconductores sobre un sustrato como el vidrio o el acero. El sustrato puede ser rígido o flexible. La propia célula solar puede estar hecha de capas de material de solo unas pocas micras de espesor. Las células solares de película delgada pueden ser más baratas que otros tipos de células solares [78]. A menudo son menos eficientes que las células cristalinas, pero tienen otras ventajas [78]. Un material utilizado para fabricar células solares de película delgada es el silicio amorfo. Otro material en uso es CdTe, que tiene una brecha de energía de 1.45 eV. El cadmio y el teluro son tóxicos, pero pueden ser más fáciles de depositar en películas delgadas que el silicio.
La tercera categoría es la multiunión, también llamadas células solares compuestas. Estas células solares están hechas de una docena o más de capas de semiconductores apiladas una encima de la otra [78]. Estas capas forman múltiples uniones pn. Los semiconductores de mayor espacio están en las capas superiores, y los semiconductores de menor espacio están más cerca del sustrato. Estas células solares pueden ser bastante eficientes. Las células con eficiencia de hasta 46% han sido demostradas en laboratorios [77].
La última categoría es la tecnología emergente de células solares. Se están utilizando múltiples estrategias creativas para desarrollar células solares. Las estrategias de nanotecnología incluyen el uso de células solares hechas de nanotubos de carbono y de materiales basados en puntos cuánticos [78]. Las células solares orgánicas también entran en esta categoría. La parte activa de estas células solares es una capa delgada, a menudo de 100-200 nm, de un material orgánico [79]. Una ventaja de las células solares orgánicas es que su procesamiento puede no requerir temperaturas tan altas como el procesamiento de células solares hechas a partir de uniones pn de semiconductores inorgánicos [79].
Sistemas de Celdas Solares
Las células solares se utilizan en una amplia gama de dispositivos. Adornos de césped económicos con células solares están disponibles en ferreterías por menos de un dólar. Los pequeños dispositivos fotovoltaicos utilizados como sensores ópticos son igualmente económicos. En el otro extremo, las células solares alimentan a los Mars rovers de la NASA Spirit y Opportunity así como a los satélites que orbitan la tierra. Además, se utilizan grandes matrices de células solares para generar electricidad.
Una célula solar típica produce alrededor de un vatio de energía eléctrica, mientras que una casa típica puede requerir alrededor de 4 kW de potencia [73]. Para producir la energía necesaria, las células solares individuales se conectan juntas en módulos y los módulos se conectan entre sí en paneles solares. En una instalación típica en el techo de una casa, un panel puede estar compuesto por alrededor de 40 células solares, y 10 o 20 paneles pueden montarse en el techo [73]. Una instalación típica de paneles solares en el techo de un edificio tiene una serie de componentes además de las matrices de paneles solares. Los componentes adicionales a menudo se conocen como el equilibrio del sistema, y consisten en baterías, hardware de montaje o seguimiento, concentradores solares y acondicionadores de energía. Estos componentes se ilustran en la Fig. \(\PageIndex{2}\).
El sistema de montaje está compuesto por la base, los soportes mecánicos, los soportes y el cableado necesarios para montar y conectar físicamente el panel solar. Algunos paneles solares están montados en una posición fija. Otros paneles solares están montados en sistemas que inclinan los paneles hacia el sol. Algunos sistemas de rastreo giran el panel alrededor de un solo eje este-oeste. Otros tienen dos ejes. Los sistemas de seguimiento de dos ejes se utilizan a menudo con los concentradores solares. Un concentrador es un sistema de espejo o lente diseñado para capturar más luz solar en los paneles.
Los sistemas de paneles solares requieren baterías o algún otro mecanismo de almacenamiento de energía para proporcionar energía eléctrica por la noche, en días nublados y otros momentos en que la luz solar inadecuada cae sobre los paneles solares. Los paneles solares pueden durar 30 años o más con solo alrededor de 1% o 2% de degradación por año. Además, los paneles solares rara vez necesitan mantenimiento, y no se pueden reparar fácilmente. Si falla un panel solar, se reemplaza todo el panel. Sin embargo, las baterías tienen una vida útil típica de tres a nueve años, y a menudo son la primera parte de un sistema de paneles solares que necesita ser reemplazada [73].
El sistema de acondicionamiento de energía consiste en un inversor que convierte la electricidad de CC a CA y, para los sistemas conectados a la red, un sistema para hacer coincidir la fase de la energía de CA producida con la fase de la red. Los sistemas de acondicionamiento de energía también contienen un sistema para limitar la corriente o voltaje para maximizar la potencia entregada. Además, incluyen salvaguardas como fusibles para evitar lesiones o daños a los equipos. La vida útil típica de la electrónica puede ser de alrededor de 10-15 años [73].