La captación solar se realiza mediante pequeños dispositivos basados en materiales semiconductores que se denominan „células solares‟. En general, el material semiconductor es especialmente tratado para crear dos capas diferentemente
Capítulo 2
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dopadas (tipo p y tipo n) y producir en la interface un campo eléctrico1. La
generación de energía se debe a que los fotones de la luz solar incidente sobre la célula FV, suministran la cantidad de energía necesaria a los electrones que constituyen el material semiconductor de la célula, con lo cual se rompe el enlace (previamente dopado) que mantiene unidos los electrones a los átomos respectivos. Consecuentemente, los electrones liberados son atrapados por el campo eléctrico conformando la corriente eléctrica que fluye2. (Orduz Marzal 2009)
Figura 2-1. Célula fotovoltaica típica de Silicio cristalino. Fte., elaboración propia
El material semiconductor empleado en la fabricación de las células ha sido un tema de estudio por más de 50 años. Durante este período, se han obtenido considerables avances en ciencia y tecnología de células solares, en las que han emergido diferentes tipos que se muestran en la Figura 2-2.
1 Es decir, lo que realmente se hace es modificar la composición atómica del material, de tal
manera que, en los enlaces atómicos de la capa „p‟ haga falta un electrón, y en los enlaces de la capa „n‟ sobre uno. Cada capa además, tiene una polaridad diferente, así pues, la capa „p‟ tiene polaridad (+) y la capa „n‟ tiene polaridad (-). Como se verá más adelante existen otras estructuras en tecnología de lámina delgada en la que se adhiere una tercera capa central „i‟ (intrínseca) para promover el movimiento de los electrones desde dicha capa.
2 Fenómeno físico que se denomina „efecto fotoeléctrico‟.
Metalización anterior Silicio tipo P Silicio tipo N Capa antirreflejo Metalización posterior Carga externa Radiación solar Corriente
+
+
+
+
--
--
--
--
+
Estado del arte de los sistemas „BIPV‟ de lámina delgada
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Figura 2-2. Diagrama de tipos de células solares y sus principales aplicaciones. Nótese en el recuadro naranja las células FV tipo „thin film‟. (*)Concentradores FV. Fte. Adaptación de una
publicación realizada en el magazín electrónico PV-Tech. www.PV-Tech.org. (2010)
Por otro lado, en el campo de las instalaciones fotovoltaicas en general, la elección y el empleo de una tecnología u otra depende del uso final que se le asigne al módulo, es decir, si lo que realmente interesa es conseguir una instalación de alta eficiencia de generación, posiblemente sea necesario el empleo de tecnologías de concentración FV o „CPV‟ (es el caso de aplicaciones espaciales), o si en su defecto prima otras condiciones (bien sea para uso terrestre o para fabricación de pequeños dispositivos electrónicos3), características como coste, adaptación, compatibilidad electrónica
etc., determinan la decisión, y por tanto bajo este principio, todas las tecnologías de células FV son útiles y necesarias4. Las características eléctricas principales de las
células solares son: (Luque et al. 2010)
3 Es el caso de las calculadoras solares, que en general están fabricadas con pequeñas células
de a-Si.
4 A escala mayor, ocurre lo mismo en la generación eléctrica, el caso del „mix energético‟, en
donde entre mayor sea la oferta de tecnologías que ofrezca la industria, los sistemas son más competitivos, y el agotamiento de los recursos o fuentes, se realiza de manera sostenible.
Células III - V (Espacio y CPV*)
Células de silicio cristalino (Terrestre y espacio)
Células de película delgada (‘thin film’) (Terrestre) CdTe (Telurio de cadmio) CIS /CIGS (Cobre, indio, galio y selenio) Dye, DSSC (Experimental) Metal-orgánicas (Experimental) Silicio de película delgada
a-Si
(Amorfo) (Micro cristalino) -Si
- / a-Si Micro-amorfo (Multiunión) HIT (Hibrido Mono- Amorfo) Si mono (Monocristalino) Si multi (Silicio multicristalino) Mono y Multi-unión Combinaciones de semiconductores III -V (Galio, indio, fosforo, arsénico)
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La „potencia pico‟(Wp), que se define como la máxima potencia que es capaz de generar una célula bajo condiciones estándar de laboratorio: un sol de 1000 W/m2, y una temperatura de célula de 25 ºC.
La „eficiencia de la célula FV‟, que se define como el cociente entre la potencia máxima genera y la potencia luminosa recibida. Este parámetro es porcentual.
Las tecnologías de célula más reconocidas, empleadas en BIPV son:
Basados en Silicio cristalino: Silicio monocristalino (Si mono), Silicio multicristalino (Si multi). Ver Figura 2-3.
Basadas en lámina delgada: Silicio amorfo (a-Si), Silicio microcristalino y amorfo (µ- / a-Si). Células hibridas HIT. Combinaciones de diselinurio de cobre e indio (CIS, [CuInSe2]), diselinurio de cobre, indio y galio (CIGS, [Cu(In,Ga)Se2]). Telurio de cadmio5
(CdTe). Ver Figura 2-4.
Figura 2-3. Diferentes diseños de células fotovoltaicas basadas en
Silicio cristalino. Fte. Sunways.
http://www.sunways.eu
5 El cadmio es un material altamente contaminante, lo que ha hecho que esta tecnología no se
desarrolle suficientemente. Estudios recientes han demostrado que al realizar análisis de ciclos de vida comparativos, las CdTe emiten en condiciones medias estadounidenses, aproximadamente 20 g CO2/kWh, en comparación con 500-1000 g CO2 /kWh de plantas de
combustible fósil FTHENAKIS, Vasilis. Sustainability of photovoltaics: The case for thin-film solar cells. p. 2746-2750. Existen en el mercado algunos módulos basados en esta tecnología, que son suministrados con el previo compromiso por parte del fabricante de ser éste quien se encargue de reciclar el sistema al final de su vida útil.
(a) Si monocristalino con
esquinas en corte de 45º (b) Si monocristalino
(c) Si monocristalino con transparencias
Estado del arte de los sistemas „BIPV‟ de lámina delgada
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Figura 2-4. Diferentes células solares de lámina delgada.
Fte.
http://www.renewableenergyf ocus.com