Gracias a los avances tecnológicos y al crecimiento del sector, el coste de la generación de energía fotovoltaica (FV) sigue disminuyendo, lo que la posiciona como una fuente de energía fundamental para el desarrollo sostenible del futuro.
Componentes clave de la tecnología fotovoltaica
El componente principal de la tecnología de generación de energía fotovoltaica es la célula solar fotovoltaica. La evolución de las células solares fotovoltaicas se puede clasificar en tres generaciones. La primera generación consiste en células solares basadas en silicio; la segunda generación incluye células solares de película delgada; y la tercera generación abarca nuevas tecnologías como las células fotovoltaicas de alta concentración (HCPV), las células solares orgánicas, las células solares flexibles y las células solares sensibilizadas por colorantes. Actualmente, las células solares basadas en silicio dominan el mercado, mientras que las células de película delgada están ganando cuota de mercado gradualmente. La mayoría de las células de tercera generación, a excepción de las HCPV, aún se encuentran en fase de investigación.
Celdas solares basadas en silicio
Entre las células solares basadas en silicio, la tecnología de silicio monocristalino es la más desarrollada. La eficiencia y el coste de estas células dependen principalmente del proceso de fabricación, que incluye etapas como la fundición de lingotes, el corte de obleas, la difusión, la texturización, la serigrafía y la sinterización. Las células solares producidas mediante este proceso convencional suelen alcanzar una eficiencia de conversión fotoeléctrica del 16-18%.
Las células solares de silicio monocristalino tienen la mayor eficiencia de conversión, pero también son las más caras. Las células solares de silicio policristalino ofrecen una importante reducción de costes al fabricar directamente lingotes cuadrados de silicio de gran tamaño, aptos para la producción en masa. Este proceso es más sencillo, ahorra energía, conserva el silicio y requiere materiales de menor calidad.
La reducción del coste de las células solares se puede lograr mediante dos estrategias principales: disminuir el consumo de materiales (por ejemplo, reduciendo el grosor de las obleas de silicio) y aumentar la eficiencia de conversión. Entre los métodos para mejorar la eficiencia se incluyen el aumento de la absorción de luz (por ejemplo, texturización de la superficie, recubrimiento antirreflectante, reducción del ancho del electrodo frontal), la reducción de la recombinación de portadores fotogenerados (por ejemplo, pasivación del emisor) y la minimización de la resistencia (por ejemplo, dopaje localizado, tecnología de campo de superficie posterior).
La mayor eficiencia de conversión registrada para células solares de silicio monocristalino es del 24,7 %, lograda por la célula solar con estructura PERL de la Universidad de Nueva Gales del Sur. Entre sus características tecnológicas clave se incluyen una baja concentración de dopaje de fósforo en la superficie del silicio para reducir la recombinación superficial, una difusión de alta concentración bajo los electrodos de superficie frontal y posterior para formar buenos contactos óhmicos, y el uso de fotolitografía para estrechar los electrodos de superficie frontal, aumentando así el área de absorción de luz. Sin embargo, esta tecnología aún no se ha industrializado.
Otras técnicas para mejorar la eficiencia incluyen las células con superficie texturizada ranurada y la tecnología de contacto posterior (EWT) de BP Solar. La primera alcanza una eficiencia del 18,3 % mediante ranurado láser, que reduce el ancho de los electrodos frontales y aumenta la absorción de luz. La segunda logra una eficiencia del 21,3 % al desplazar los electrodos frontales hacia la parte posterior, aumentando así la superficie de absorción de luz.
Celdas solares de película delgada
Si bien las células solares de silicio cristalino predominan debido a su alta eficiencia, reducir significativamente su costo resulta un desafío debido al elevado precio del silicio. Las células solares de película delgada, que utilizan menos material, se han consolidado como una alternativa rentable. Los principales tipos de células de película delgada incluyen las de silicio, las de telururo de cadmio (CdTe) y las de seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS).
Las células de película delgada basadas en silicio tienen un grosor de tan solo 2 micrómetros y utilizan aproximadamente el 1,5 % del silicio necesario para las células de silicio cristalino. Según el número de uniones PN, estas células pueden ser de unión simple, doble o múltiple, cada una capaz de absorber diferentes longitudes de onda de la luz solar. La máxima eficiencia para las células de unión simple ronda el 7 %, mientras que las de doble unión pueden alcanzar el 10 %.
Las células de película delgada de CdTe ofrecen una mayor eficiencia (hasta un 12 %) debido a sus buenas propiedades de absorción de luz. Sin embargo, la naturaleza cancerígena del cadmio y las limitadas reservas naturales de telurio plantean desafíos para su desarrollo a largo plazo.
Las células de película delgada CIGS se consideran el futuro de la tecnología de película delgada de alta eficiencia. Al ajustar el proceso de fabricación, se puede mejorar su absorción de luz, lo que resulta en mayores eficiencias de conversión. Actualmente, las eficiencias de laboratorio alcanzan el 20,1 %, mientras que los productos comerciales llegan al 13-14 %, lo que las convierte en las más eficientes entre las células de película delgada.
Células de tercera generación
En teoría, las células de tercera generación pueden alcanzar altas eficiencias de conversión. A excepción de las células fotovoltaicas de alta concentración (HCPV), la mayoría aún se encuentran en fase de investigación. Las células HCPV suelen utilizar materiales semiconductores III-V, que presentan mayor resistencia al calor y mantienen una alta eficiencia de conversión bajo alta iluminación. Las estructuras de unión múltiple permiten que estas células se ajusten con precisión al espectro solar, con eficiencias teóricas de hasta el 68 %. La producción comercial puede alcanzar eficiencias superiores al 40 %.
Las células solares se encapsulan en módulos, y sus aplicaciones dependen de sus características y de la demanda del mercado. Las primeras aplicaciones incluyeron estaciones base de comunicaciones y satélites, extendiéndose posteriormente a zonas residenciales como los tejados solares. En estos casos, la limitación de espacio para la instalación y la necesidad de una alta densidad energética favorecieron los módulos de silicio cristalino. Con el desarrollo de centrales solares a gran escala y sistemas fotovoltaicos integrados en edificios (BIPV), las consideraciones de costes han impulsado el uso de células de película delgada. Las condiciones ambientales y climáticas también influyen en la adopción de diferentes tecnologías.
Aplicaciones de la tecnología solar fotovoltaica
Para convertir la radiación solar en electricidad utilizable se necesita un sistema fotovoltaico completo. Las células fotovoltaicas constituyen la base de este sistema, que también incluye inversores, baterías, sistemas de monitorización y sistemas de distribución.
Clasificación y composición de los sistemas fotovoltaicos
Los sistemas solares fotovoltaicos se clasifican en sistemas aislados o conectados a la red. Los sistemas aislados pueden ser autónomos o híbridos.
Los sistemas autónomos se utilizan normalmente en zonas remotas, estaciones base de comunicaciones y alumbrado público solar, y dependen exclusivamente de la energía solar. Incluyen módulos solares, inversores, controladores, baterías, sistemas de distribución y protección contra rayos. Las baterías y los controladores influyen significativamente en el coste y la vida útil del sistema. Los sistemas híbridos combinan la energía solar con otras fuentes, como generadores diésel o turbinas eólicas.
Los sistemas conectados a la red, comúnmente utilizados en instalaciones solares en tejados y grandes centrales fotovoltaicas, no requieren equipos de almacenamiento, lo que reduce los costos. Estos sistemas incluyen módulos solares, inversores, sistemas de distribución, protección contra rayos y sistemas de monitorización. Actualmente, los sistemas conectados a la red representan el 80 % de todas las aplicaciones solares.
Otras tecnologías de generación de energía fotovoltaica
Además de la tecnología de células solares fotovoltaicas, la tecnología de inversores, la integración a la red, el almacenamiento y la monitorización inteligente son cruciales para los sistemas de generación de energía fotovoltaica:
La potencia de salida de las células solares varía con la intensidad de la radiación solar, lo que provoca intermitencia. La integración a gran escala en la red eléctrica puede afectar a la misma, por lo que el control de la red y la protección contra el funcionamiento en modo isla son esenciales.
La salida de los módulos solares es de corriente continua (CC), lo que requiere una conversión de alta calidad a corriente alterna (CA) mediante inversores.
La potencia de salida del módulo puede verse afectada por factores como la temperatura y el sombreado, lo que hace necesario el uso de sistemas de monitorización y alarma.
La tecnología de control remoto es vital para las centrales fotovoltaicas en zonas remotas.
China lidera la producción de módulos solares en términos de calidad y escala. Los sectores de alta rentabilidad dentro de la cadena de valor incluyen la purificación de silicio, los inversores, los sistemas de monitorización y la fabricación de equipos fotovoltaicos. Lograr avances significativos en estas áreas clave representa un reto para la industria fotovoltaica china.
Situación actual y perspectivas futuras de la generación de energía solar fotovoltaica.
Debido a sus elevados costes, la generación de energía solar fotovoltaica no se desarrolló a gran escala hasta finales del siglo pasado. Al comenzar el siglo XXI, gracias a una mayor eficiencia y una rápida disminución de los costes, la generación de energía solar fotovoltaica ha experimentado un rápido crecimiento, con un aumento anual de la capacidad instalada. La capacidad instalada anual global pasó de 1,4 GW en 2000 a 22,8 GW en 2009. Países europeos como Alemania, Italia y España son mercados importantes, y la UE planea aumentar la cuota de energía solar al 12 % del suministro eléctrico total para 2020. Países en desarrollo como China e India también han puesto en marcha planes de desarrollo solar. Más allá de las estaciones base de comunicaciones, los tejados solares y las centrales fotovoltaicas, la generación de energía solar fotovoltaica se utiliza ahora ampliamente en diversos dispositivos móviles.
Como fuente de energía complementaria y alternativa, la tecnología solar fotovoltaica se está desarrollando rápidamente, con costos de generación cada vez menores. Gracias a los continuos avances tecnológicos, la energía solar, como recurso limpio y renovable, está llamada a convertirse en una fuente de energía clave para el desarrollo sostenible.
