Amb els avenços tecnològics i l'escalada de la indústria, el cost de la generació d'energia fotovoltaica (FV) continua disminuint, posicionant-la com una font d'energia fonamental per al desenvolupament sostenible en el futur.
Components clau de la tecnologia fotovoltaica
El component principal de la tecnologia de generació d'energia fotovoltaica és la cèl·lula solar fotovoltaica. L'evolució de les cèl·lules solars fotovoltaiques es pot classificar en tres generacions. La primera generació consisteix en cèl·lules solars basades en silici; la segona generació inclou cèl·lules solars de pel·lícula fina; i la tercera generació engloba noves tecnologies com ara cèl·lules fotovoltaiques d'alta concentració (HCPV), cèl·lules solars orgàniques, cèl·lules solars flexibles i cèl·lules solars sensibilitzades per colorants. Actualment, les cèl·lules solars basades en silici dominen el mercat, mentre que les cèl·lules de pel·lícula fina estan guanyant gradualment quota de mercat. La majoria de les cèl·lules de tercera generació, excepte les HCPV, encara es troben en fase de recerca.
Cèl·lules solars basades en silici
Entre les cèl·lules solars basades en silici, la tecnologia del silici monocristal·lí és la més madura. L'eficiència i el cost d'aquestes cèl·lules estan influenciats principalment pel procés de fabricació, que inclou passos com la fosa de lingots, el tall de làmines, la difusió, la texturització, la serigrafia i la sinterització. Les cèl·lules solars produïdes mitjançant aquest procés convencional solen aconsegueixen una eficiència de conversió fotoelèctrica del 16-18%.
Les cèl·lules solars de silici monocristal·lí tenen la màxima eficiència de conversió, però també són les més cares. Les cèl·lules solars de silici policristal·lí ofereixen una bona reducció de costos fabricant directament lingots quadrats de silici de grans dimensions adequats per a la producció en massa. Aquest procés és més senzill, estalvia energia, conserva material de silici i requereix una qualitat de material inferior.
La reducció del cost de les cèl·lules solars es pot aconseguir mitjançant dues estratègies principals: disminuir el consum de material (per exemple, reduir el gruix de la làmina de silici) i augmentar l'eficiència de conversió. Els mètodes per millorar l'eficiència inclouen augmentar l'absorció de la llum (per exemple, texturització de la superfície, recobriment antireflectant, reducció de l'amplada de l'elèctrode frontal), reduir la recombinació dels portadors fotogenerats (per exemple, passivació de l'emissor) i minimitzar la resistència (per exemple, dopatge localitzat, tecnologia de camp de superfície posterior).
L'eficiència de conversió més alta registrada per a cèl·lules solars de silici monocristal·lí és del 24,7%, aconseguida per la cèl·lula solar amb estructura PERL de la Universitat de Nova Gal·les del Sud. Les característiques tecnològiques clau inclouen una baixa concentració de dopatge de fòsfor a la superfície del silici per reduir la recombinació superficial, una difusió d'alta concentració sota els elèctrodes de la superfície frontal i posterior per formar bons contactes òhmics i l'ús de la fotolitografia per estrènyer els elèctrodes de la superfície frontal, augmentant l'àrea d'absorció de la llum. Tanmateix, aquesta tecnologia encara no s'ha industrialitzat.
Altres tècniques per millorar l'eficiència inclouen les cel·les texturitzades amb ranures superficials de BP Solar i la tecnologia de contacte posterior (EWT). La primera aconsegueix una eficiència del 18,3% mitjançant el ranurat làser, que redueix l'amplada dels elèctrodes frontals i augmenta l'absorció de la llum. La segona aconsegueix una eficiència del 21,3% portant els elèctrodes frontals cap enrere, augmentant la zona d'absorció de la llum.
Cèl·lules solars de pel·lícula fina
Tot i que les cèl·lules solars de silici cristal·lí dominen per la seva alta eficiència, reduir-ne significativament el cost és un repte a causa de l'alt preu del material de silici. Les cèl·lules solars de pel·lícula fina, que utilitzen menys material, han sorgit com una alternativa rendible. Els principals tipus de cèl·lules de pel·lícula fina inclouen cèl·lules de pel·lícula fina basades en silici, cèl·lules de tel·lurur de cadmi (CdTe) i cèl·lules de selenur de coure, indi i gal·li (CIGS).
Les cèl·lules de pel·lícula fina basades en silici només tenen 2 micròmetres de gruix, utilitzant aproximadament l'1,5% del material de silici necessari per a les cèl·lules de silici cristal·lí. Depenent del nombre d'unions PN, aquestes cèl·lules poden ser d'unió simple, doble o multiunió, cadascuna capaç d'absorbir diferents longituds d'ona de la llum solar. L'eficiència més alta per a les cèl·lules d'unió simple és d'al voltant del 7%, mentre que les cèl·lules de doble unió poden arribar al 10%.
Les cèl·lules de capa fina de CdTe ofereixen una eficiència més alta (fins a un 12%) a causa de les seves bones propietats d'absorció de la llum. Tanmateix, la naturalesa cancerígena del cadmi i les reserves naturals limitades del tel·luri plantegen reptes de desenvolupament a llarg termini.
Les cèl·lules de pel·lícula fina CIGS es consideren el futur de la tecnologia de pel·lícula fina d'alta eficiència. Ajustant el procés de fabricació, es pot millorar la seva absorció de llum, cosa que porta a eficiències de conversió més elevades. Actualment, les eficiències de laboratori arriben al 20,1%, mentre que els productes comercials aconsegueixen el 13-14%, cosa que les converteix en les més eficients entre les cèl·lules de pel·lícula fina.
Cèl·lules de tercera generació
Teòricament, les cèl·lules de tercera generació poden aconseguir altes eficiències de conversió. Excepte les HCPV, la majoria encara es troben en fase de recerca. Les cèl·lules HCPV solen utilitzar materials semiconductors III-V, que tenen una major resistència a la calor i mantenen una alta eficiència de conversió sota una il·luminació elevada. Les estructures de multiunió permeten que aquestes cèl·lules coincideixin estretament amb l'espectre solar, amb eficiències teòriques de fins al 68%. La producció comercial pot aconseguir eficiències superiors al 40%.
Les cèl·lules solars s'encapsulen en mòduls i les seves aplicacions depenen de les seves característiques i de les demandes del mercat. Les primeres aplicacions van incloure estacions base de comunicació i satèl·lits, que posteriorment es van expandir a zones residencials com ara teulades solars. En aquests escenaris, les zones d'instal·lació limitades i les necessitats d'alta densitat d'energia van afavorir els mòduls de silici cristal·lí. Amb el desenvolupament de plantes d'energia solar a gran escala i fotovoltaica integrada en edificis (BIPV), les consideracions de costos han portat a un augment de les aplicacions de cèl·lules de pel·lícula fina. Les condicions ambientals i climàtiques també influeixen en l'adopció de diferents tecnologies.
Aplicacions de la tecnologia solar fotovoltaica
Convertir la radiació solar en electricitat utilitzable requereix un sistema solar fotovoltaic complet. Les cèl·lules solars fotovoltaiques constitueixen la base d'aquest sistema, que també inclou inversors, bateries, sistemes de monitorització i sistemes de distribució.
Classificació i composició del sistema fotovoltaic
Els sistemes solars fotovoltaics es classifiquen com a fora de xarxa o connectats a la xarxa. Els sistemes fora de xarxa poden ser autònoms o híbrids.
Els sistemes autònoms s'utilitzen normalment en zones remotes, estacions base de comunicació i fanals solars, i depenen completament de l'energia solar. Inclouen mòduls solars, inversors, controladors, bateries, sistemes de distribució i protecció contra llamps. Les bateries i els controladors tenen un impacte significatiu en el cost i la vida útil del sistema. Els sistemes híbrids combinen l'energia solar amb altres fonts com ara generadors dièsel o aerogeneradors.
Els sistemes connectats a la xarxa, que s'utilitzen habitualment per a teulades solars i plantes fotovoltaiques a gran escala, no requereixen equips d'emmagatzematge, cosa que redueix els costos. Aquests sistemes inclouen mòduls solars, inversors, sistemes de distribució, protecció contra llamps i sistemes de monitorització. Actualment, els sistemes connectats a la xarxa representen el 80% de totes les aplicacions solars.
Altres tecnologies de generació d'energia fotovoltaica
A més de la tecnologia de cèl·lules solars fotovoltaiques, la tecnologia d'inversors, la integració a la xarxa, l'emmagatzematge i la monitorització intel·ligent són crucials per als sistemes de generació d'energia fotovoltaica:
La potència de sortida de les cèl·lules solars varia segons la intensitat de la radiació solar, cosa que provoca intermitència. La integració de la xarxa a gran escala pot afectar la xarxa, fent que el control de la xarxa i la protecció contra l'illament siguin essencials.
La sortida del mòdul solar és de corrent continu (CC), cosa que requereix una conversió d'alta qualitat a corrent altern (CA) mitjançant inversors.
La potència de sortida del mòdul pot veure's afectada per factors com la temperatura i l'ombra, la qual cosa requereix la monitorització del sistema i sistemes d'alarma.
La tecnologia de control remot és vital per a les plantes fotovoltaiques en zones remotes.
La Xina lidera la producció de mòduls solars pel que fa a qualitat i escala. Les àrees d'alt rendiment dins de la cadena industrial inclouen la purificació de silici, els inversors, els sistemes de monitorització i la fabricació d'equips fotovoltaics. Aconseguir avenços en aquestes àrees clau és un repte per a la indústria fotovoltaica xinesa.
Estat actual i perspectives de futur de la generació d'energia solar fotovoltaica
A causa dels elevats costos, la generació d'energia solar fotovoltaica no va experimentar un desenvolupament a gran escala fins a finals del segle passat. Entrant al segle XXI, amb una eficiència millorada i una ràpida disminució dels costos, la generació d'energia solar fotovoltaica ha experimentat un ràpid creixement, amb una capacitat instal·lada que augmenta anualment. La capacitat instal·lada anual global va augmentar d'1,4 GW el 2000 a 22,8 GW el 2009. Països europeus com Alemanya, Itàlia i Espanya són mercats importants, i la UE té previst augmentar la quota d'energia solar fins al 12% del subministrament total d'electricitat el 2020. Països en desenvolupament com la Xina i l'Índia també han llançat plans de desenvolupament solar. Més enllà de les estacions base de comunicació, les teulades solars i les centrals fotovoltaiques, la generació d'energia solar fotovoltaica s'utilitza àmpliament en diversos dispositius mòbils.
Com a font d'energia suplementària i alternativa, la tecnologia solar fotovoltaica s'està desenvolupant ràpidament, amb costos de generació decreixents. Amb els avenços tecnològics continus, l'energia solar, com a recurs net i renovable, està a punt de convertir-se en una font d'energia clau per al desenvolupament sostenible.
