Desenvolvemento da tecnoloxía solar fotovoltaica

Cos avances tecnolóxicos e a escala da industria, o custo da xeración de enerxía fotovoltaica (FV) continúa a diminuír, o que a posiciona como unha fonte de enerxía fundamental para o desenvolvemento sostible no futuro.

Compoñentes clave da tecnoloxía fotovoltaica
O compoñente central da tecnoloxía de xeración de enerxía fotovoltaica é a célula solar fotovoltaica. A evolución das células solares fotovoltaicas pódese clasificar en tres xeracións. A primeira xeración consiste en células solares baseadas en silicio; a segunda xeración inclúe células solares de película fina; e a terceira xeración abrangue novas tecnoloxías como as células fotovoltaicas de alta concentración (HCPV), as células solares orgánicas, as células solares flexibles e as células solares sensibilizadas por colorantes. Actualmente, as células solares baseadas en silicio dominan o mercado, mentres que as células de película fina están a gañar gradualmente cota de mercado. A maioría das células de terceira xeración, agás a HCPV, aínda están en fase de investigación.

Células solares baseadas en silicio

Entre as células solares baseadas en silicio, a tecnoloxía do silicio monocristalino é a máis madura. A eficiencia e o custo destas células están influenciados principalmente polo proceso de fabricación, que inclúe pasos como a fundición de lingotes, o corte de obleas, a difusión, a texturización, a serigrafía e a sinterización. As células solares producidas mediante este proceso convencional adoitan alcanzar unha eficiencia de conversión fotoeléctrica do 16-18 %.

As células solares de silicio monocristalino teñen a maior eficiencia de conversión, pero tamén son as máis caras. As células solares de silicio policristalino ofrecen unha boa redución de custos ao fabricar directamente lingotes de silicio cadrados de gran tamaño axeitados para a produción en masa. Este proceso é máis sinxelo, aforra enerxía, conserva material de silicio e require unha menor calidade de material.

A redución do custo das células solares pódese conseguir mediante dúas estratexias principais: diminuír o consumo de materiais (por exemplo, reducir o grosor da oblea de silicio) e aumentar a eficiencia da conversión. Os métodos para mellorar a eficiencia inclúen aumentar a absorción da luz (por exemplo, texturización da superficie, revestimento antirreflectante, redución do ancho do eléctrodo frontal), reducir a recombinación dos portadores fotoxerados (por exemplo, pasivación do emisor) e minimizar a resistencia (por exemplo, dopaxe localizada, tecnoloxía de campo de superficie traseira).

A maior eficiencia de conversión rexistrada para células solares de silicio monocristalino é do 24,7 %, alcanzada pola célula solar de estrutura PERL da Universidade de Nova Gales do Sur. As características tecnolóxicas clave inclúen unha baixa concentración de dopaxe de fósforo na superficie do silicio para reducir a recombinación superficial, unha difusión de alta concentración baixo os eléctrodos da superficie frontal e traseira para formar bos contactos óhmicos e o uso da fotolitografía para estreitar os eléctrodos da superficie frontal, aumentando a área de absorción da luz. Non obstante, esta tecnoloxía aínda non se industrializou.

Outras técnicas para mellorar a eficiencia inclúen as células texturizadas con ranuras superficiais de BP Solar e a tecnoloxía de contacto traseiro (EWT). A primeira consegue unha eficiencia do 18,3 % mediante o ranurado láser, o que reduce a anchura dos eléctrodos frontais e aumenta a absorción da luz. A segunda consegue unha eficiencia do 21,3 % ao levar os eléctrodos frontais cara atrás, aumentando a área de absorción da luz.

Células solares de película fina

Aínda que as células solares de silicio cristalino dominan debido á súa alta eficiencia, reducir significativamente o seu custo é un reto debido ao alto prezo do material de silicio. As células solares de película fina, que usan menos material, xurdiron como unha alternativa rendible. Os principais tipos de células de película fina inclúen células de película fina baseadas en silicio, células de telururo de cadmio (CdTe) e células de seleniuro de cobre, indio e galio (CIGS).

As células de película fina baseadas en silicio teñen só 2 micrómetros de grosor, usando aproximadamente o 1,5 % do material de silicio necesario para as células de silicio cristalino. Dependendo do número de unións PN, estas células poden ser de unión simple, de dobre unión ou de varias unións, cada unha capaz de absorber diferentes lonxitudes de onda da luz solar. A eficiencia máis alta para as células de unión simple é de arredor do 7 %, mentres que as células de dobre unión poden alcanzar o 10 %.

As células de película fina de CdTe ofrecen unha maior eficiencia (ata o 12 %) debido ás súas boas propiedades de absorción da luz. Non obstante, a natureza canceríxena do cadmio e as limitadas reservas naturais do teluro supoñen desafíos de desenvolvemento a longo prazo.

As células de película fina CIGS considéranse o futuro da tecnoloxía de película fina de alta eficiencia. Axustando o proceso de fabricación, pódese mellorar a súa absorción de luz, o que leva a maiores eficiencias de conversión. Actualmente, as eficiencias de laboratorio alcanzan o 20,1 %, mentres que os produtos comerciais alcanzan o 13-14 %, o que as converte nas máis eficientes entre as células de película fina.

Células de terceira xeración

Teoricamente, as células de terceira xeración poden acadar altas eficiencias de conversión. Agás as HCPV, a maioría aínda están en fase de investigación. As células HCPV adoitan empregar materiais semicondutores III-V, que teñen unha maior resistencia á calor e manteñen unha alta eficiencia de conversión baixo unha iluminación intensa. As estruturas de unión múltiple permiten que estas células se axusten estreitamente ao espectro solar, con eficiencias teóricas de ata o 68 %. A produción comercial pode acadar eficiencias superiores ao 40 %.

As células solares encápsulanse en módulos e as súas aplicacións dependen das súas características e das demandas do mercado. As primeiras aplicacións incluían estacións base de comunicación e satélites, que posteriormente se expandiron a zonas residenciais como tellados solares. Nestes escenarios, as áreas de instalación limitadas e as necesidades de alta densidade de enerxía favorecían os módulos de silicio cristalino. Co desenvolvemento de centrais de enerxía solar a grande escala e fotovoltaica integrada en edificios (BIPV), as consideracións de custo levaron a un aumento das aplicacións de células de película fina. As condicións ambientais e climáticas tamén inflúen na adopción de diferentes tecnoloxías.

Aplicacións da tecnoloxía solar fotovoltaica

Converter a radiación solar en electricidade utilizable require un sistema solar fotovoltaico completo. As células solares fotovoltaicas constitúen a base deste sistema, que tamén inclúe inversores, baterías, sistemas de monitorización e sistemas de distribución.

Clasificación e composición do sistema fotovoltaico

Os sistemas solares fotovoltaicos clasifícanse como illados da rede ou conectados á rede. Os sistemas illados da rede poden ser independentes ou híbridos.

Os sistemas autónomos adoitan empregarse en zonas remotas, estacións base de comunicación e farolas solares, e dependen totalmente da enerxía solar. Inclúen módulos solares, inversores, controladores, baterías, sistemas de distribución e protección contra raios. As baterías e os controladores inflúen significativamente no custo e na vida útil do sistema. Os sistemas híbridos combinan a enerxía solar con outras fontes como xeradores diésel ou aeroxeradores.

Os sistemas conectados á rede, que se usan habitualmente para tellados solares e plantas fotovoltaicas a grande escala, non requiren equipos de almacenamento, o que reduce os custos. Estes sistemas inclúen módulos solares, inversores, sistemas de distribución, protección contra raios e sistemas de monitorización. Actualmente, os sistemas conectados á rede representan o 80 % de todas as aplicacións solares.

Outras tecnoloxías de xeración de enerxía fotovoltaica

Ademais da tecnoloxía de células solares fotovoltaicas, a tecnoloxía de inversores, a integración na rede, o almacenamento e a monitorización intelixente son cruciais para os sistemas de xeración de enerxía fotovoltaica:

A potencia de saída das células solares varía coa intensidade da radiación solar, o que provoca intermitencia. A integración da rede a grande escala pode afectar á rede, facendo que o control da rede e a protección contra o illamento sexan esenciais.
A saída do módulo solar é corrente continua (CC), o que require unha conversión de alta calidade a corrente alterna (CA) mediante inversores.
A potencia de saída do módulo pode verse afectada por factores como a temperatura e as sombras, o que fai necesaria a monitorización do sistema e os sistemas de alarma.
A tecnoloxía de control remoto é vital para as plantas fotovoltaicas en zonas remotas.
China lidera a produción de módulos solares en termos de calidade e escala. As áreas de alta rendibilidade dentro da cadea industrial inclúen a purificación de silicio, os inversores, os sistemas de monitorización e a fabricación de equipos fotovoltaicos. Lograr avances nestas áreas clave é un desafío para a industria fotovoltaica chinesa.

Estado actual e perspectivas de futuro da xeración de enerxía solar fotovoltaica