No cabe duda de que la energía fotovoltaica está ganando popularidad y con razón. Se trata de un forma eficiente, limpia y sostenible de generar electricidad. Pero todavía hay un camino por recorrer para aumentar la eficiencia de los paneles solares fotovoltaicos y reducir su costo inicial. Y en lo que respecta a la selección de materiales,
En este artículo, veremos los cuatro materiales más utilizados para paneles solares:
- Silicio cristalino (c-Si)
- Silicio amorfo (a-Si)
- Arseniuro de galio (GaAs)
- Organometálicos (platino soluble)
Principios básicos de una energía solar fotovoltaica
Antes de discutir el desarrollos en la elección de materiales fotovoltaicos y la eficiencia y los desafíos que se avecinan, echemos un vistazo rápido a los conceptos básicos y la construcción de un sistema fotovoltaico.
En principio, el efecto fotovoltaico es la conversión directa de luz en energía eléctrica.
Los paneles solares constan de varias capas, típicamente vidrio, luego una capa de protección y una capa de contacto frontal que cubre las células solares individuales conectadas en serie. Debajo de ellos, hay contactos traseros de metal. que conducen la electricidad y están laminados para impermeabilizar las células y aislarlas del exceso de calor. Finalmente, hay una capa trasera protectora de vidrio, metal o plástico.
Propiedades de la celda solar
La celda solar se basa en materiales semiconductores que varían de un sistema a otro. Más comúnmente, las células solares contienen dos tipos diferentes de materiales semiconductores: un semiconductor de tipo py un semiconductor de tipo n, lo que conduce a una unión pn.
Cuando la luz de la longitud de onda adecuada incide en la celda solar, la energía se absorbe promoviendo electrones a la banda de conducción del semiconductor y dejando un agujero en la banda de valencia.
Sin embargo, esto solo es posible en caso de que la energía del fotón exceda la bandgap del semiconductor. Los portadores de carga luego se mueven de acuerdo con el campo eléctrico a los contactos externos.
Silicio: el material de elección para paneles solares
Aunque según Shockley y Queisser, la máxima eficiencia de conversión solar teórica para una sola célula fotovoltaica de unión pn se logra con un intervalo de banda de 1,34 eV, el silicio con un intervalo de banda de 1,1 eV se utiliza en aproximadamente el 90% de los semiconductores de células solares vendidos en la actualidad. El silicio fotovoltaico se presenta en varias formas diferentes:
El silicio cristalino es el material más utilizado en las células solares.. La vida útil de las células de silicio cristalino es de más de 25 años sin deterioro, lo que la hace ideal para la generación de energía solar industrial. Produce un eficiencia de conversión de energía de hasta el 22%, el más alto de todos los paneles actualmente producidos en serie.
Para mejorar aún más la eficiencia mediante la reducción de la luz reflejada, el silicio cristalino se recubre con productos químicos como el nitruro de silicio o el dióxido de titanio.
El silicio amorfo es silicio sin estructura cristalina. Se utiliza para crear una célula solar de película delgada y se encuentra comúnmente en paneles solares más pequeños como los de las calculadoras o para alimentar hogares privados.
Las celdas se fabrican depositando silicio con vapor en una película muy delgada (aproximadamente 1 µm) sobre un marco de metal o vidrio. Los paneles solares de silicio amorfo solo logran un eficiencia de alrededor del 7%, debido a la degradación del material cuando se expone por primera vez a los rayos solares.
¿Interesado en el silicio? Lea el artículo más reciente «Fabricación de silicio más barato para la energía fotovoltaica» de nuestro autor invitado, Mathieu Vadon, Ph.D. en Ingeniería de Procesos. Descubra dos métodos principales de producción de silicio y comprenda cómo el consumo de energía difiere entre ellos.
Arseniuro de galio en células solares
Arseniuro de galio (GaAs) ha ido ganando popularidad como semiconductor de paneles solares en los últimos años. Es una mezcla compuesta de galio y arsénico. Es muy eficaz como semiconductor y produce un alto rendimiento energético con una pequeña cantidad de material. Tiene una banda prohibida de 1,49 eV, que es mejor que el silicio.
Sin embargo, hay dos inconvenientes principales: en primer lugar, el galio es más raro que el oro y es costoso, y en segundo lugar, el arsénico es venenoso y crea problemas de seguridad al fabricar las células solares.
Grandes paneles azules que de alguna manera generan silenciosamente electricidad limpia. Pero, ¿de qué materiales están compuestos? ¿Por qué las células individuales tienen una forma tan específica? ¿Por qué ocupan tanta área? ¿Y por qué son azules? Encuentre las respuestas aquí.
Otros materiales semiconductores menos comunes incluyen organometálicos tal como platino soluble, que es un polímero conjugado con metal, que contiene polímeros con intervalos de banda que oscilan entre 1,4 y 3,0 eV. Este podría ser un material de células solares del futuro. Es liviano, relativamente barato de producir y es un semiconductor eficiente.
Crecimiento de la energía fotovoltaica
El panorama mundial de la industria fotovoltaica es de fuerte crecimiento en los últimos años, que según las previsiones seguirá acelerándose. Un informe reciente del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (ISE) reveló que el compuesto global tasa de crecimiento anual de las instalaciones fotovoltaicas entre 2010 y 2016 fue del 40%, lo que lo convierte en un mercado de crecimiento extremadamente rápido.
Europa sigue liderando el camino en el número total de instalaciones fotovoltaicas, contribuyendo con el 33% del total mundial en 2016, con China con el 26%. Alemania, en particular, ha adoptado la tecnología que proporcionó el 13% del rendimiento de energía fotovoltaica mundial en 2016 y produjo el 7% de sus necesidades energéticas nacionales a través de la energía solar.
Un factor importante que ha impulsado el crecimiento de la producción mundial de energía solar ha sido una reducción drástica en el costo de instalación durante los últimos 25 años. En Alemania, el precio de un sistema fotovoltaico típico de montaje en techo cayó de 14.000 € / kWp en 1990 a 1.270 € / kWp en 2016.
La reducción en el costo se ha visto a nivel mundial y se debe en gran parte a las mejoras en la eficiencia y el precio de los materiales.
Los desafíos por delante
A medida que aumente la producción de energía solar en todo el mundo, habrá una aumento de la demanda de mayor eficiencia y menor costo.
Afortunadamente, algunos materiales nuevos están mostrando algunos signos prometedores. Células solares que contienen perovskitas de halogenuros metálicos de capa fina ahora muestran una alta eficiencia de células solares del 22,7%, y se está trabajando para aumentar la estabilidad de sus células.
Paneles solares de perovskita parecen ser el material del futuro, ya que tienen el potencial de costar menos que el silicio y también son más livianos.
Investigaciones recientes en MIT y Stanford ha combinado perovskitas con celdas de silicio, creando un híbrido que es eficiente y podría ser menos costoso que los paneles tradicionales de solo silicio. Varias empresas están comenzando a fabricar y vender células en tándem de perovskita-silicio en este momento, así que esté atento a este espacio.
Que sigue
Para leer más, recomendamos este artículo. Cubre estos puntos en profundidad:
- Que son los paneles solares
- ¿Como funcionan los paneles solares?
- ¿Cómo producen electricidad los paneles solares?
- ¿Y cuál es el proceso de instalación?
¿Qué son los paneles solares y cómo producen electricidad?
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