jueves, 10 de enero de 2008

Las células fotovoltaicas transforman la energía lumínica en energía eléctrica. A pesar de ser descubierto en 1839, el proceso de producción de corriente en un material sólido con la ayuda de la luz solar no se logró entender por completo hasta que transcurrió un siglo.

El rendimiento de conversión, es decir, la proporción de luz solar que la célula convierte en energía eléctrica, es básico en los dispositivos fotovoltaicos (FV), pues un mayor rendimiento hace que la energía solar FV sea más competitiva respecto a otras fuentes (p.e. la energía de origen fósil). En los primeros dispositivos FV encontramos rendimientos del 1% - 2%; en cambio, actualmente los módulos FV comerciales tienen rendimientos del 7% al 17% dependiendo de su tecnología, a lo que debemos sumar unos costes de fabricación de estos dispositivos menores a medida que pasan los años (Abella, 2005).

Los principios de operación de una célula fotovoltaica se determinan en función a su construcción, fabricada de materiales semiconductores -habitualmente silicio- utilizados en la industria microelectrónica. Estos semiconductores son especialmente desarrollados para formar dos capas tratadas diferencialmente (tipo p y tipo n) que forman un campo eléctrico, dando lugar a una cara positiva y otra negativa.

Cuando la luz solar incide en la célula se liberan electrones que son separados por el campo eléctrico, originando una corriente eléctrica. Una célula FV típica de 100 cm.2 puede llegar a producir alrededor de 1,5 W (0,5 V y 3 A). Un módulo fotovoltaico está formado por un conjunto de células FV eléctricamente conectadas unas a otras, encapsuladas y montadas en un laminado y una estructura soporte o marco.

Los módulos se diseñan para suministrar electricidad a un voltaje concreto (normalmente 12 ó 24 V). La corriente producida está en relación al nivel de insolación. La estructura del módulo da protección a las células contra el medioambiente, haciendo que sean muy duraderos y con gran fiabilidad. Aunque un único módulo puede ser suficiente para muchas aplicaciones, es frecuente la conexión de dos o más módulos con el propósito de formar un generador FV. Los generadores o módulos fotovoltaicos producen corriente continua (DC) y su conexión puede ser en serie y / o en paralelo, para producir cualquier combinación de corriente y tensión, hasta alcanzar la potencia requerida por cada aplicación.

Un módulo o un generador FV no es capaz, por sí mismo, de bombear agua o iluminar una casa durante la noche. Para ello es necesario un sistema fotovoltaico completo, consistente en un generador FV junto a otros componentes, globalmente conocidos como “resto del sistema” o BOS (del ingles, balance of system). Estos componentes varían y están en función de la aplicación o servicio que se quiere proporcionar (Abella, 2005).

Como hemos señalado antes, los sistemas fotovoltaicos se pueden clasificar, en autónomos o conectados a la red eléctrica; o según su aplicación, como: electrificación rural (lugares de difícil emplazamiento y acceso, viviendas de uso temporal fuera de las ciudades, refugios de montaña, etc.), electrificación urbana (alumbrado de vías urbanas y de edificios públicos como museos o colegios), electrificación doméstica (todo uso eléctrico en viviendas unifamiliares, comunidades y cooperativas), telecomunicaciones terrestres (telefonía terrestre y móvil, comunicación para navegación aérea y marítima, repetidores y emisores de radio y televisión, radioteléfonos…), telecomunicaciones espaciales (los paneles solares de los satélites les proporcionan una autonomía indefinida), agrícolas y ganaderas (sistemas de bombeo, depuración y riego, iluminación de invernaderos y granjas…) seguridad y señalización (dispositivos de alarma, señalización, faros, pasos de trenes, aeropuertos, autopistas…), centrales eléctricas (producción de energía fotovoltaica a gran escala), y otras como detecciones de incendios, combustible para vehículos, etc. (Chenlo, 2000).

En 1839 el físico experimental Edmund Becquerel, a los 19 años de edad, observó que ciertos materiales, cuando eran expuestos a la luz, producían corriente eléctrica, definiendo lo hoy se conoce como el efecto fotovoltaico. Este efecto se estudió en sólidos; en 1873 Willoughby Smith lo descubre en el selenio. Las células de selenio convertían la luz en electricidad con rendimientos del 1% al 2%, gracias a lo cual fueron rápidamente utilizadas en los campos de la fotografía y en dispositivos desarrollados para la medición de la luz.

Los primeros avances hacia su comercialización se producen en los años 40, período en el que desarrolla el proceso Czochralski para la producción de silicio monocristalino de alta pureza. En 1954 los científicos Chapin, Fuller y Pearson (de los laboratorios Bell), con base en el proceso Czochralski, desarrollan la primera célula fotovoltaica monocristalina con un rendimiento del 6%. En los años 1950 hubo algunos intentos para utilizar células de silicio en productos comerciales, pero fue con el desarrollo de la tecnología espacial donde encontró su principal aplicación. En 1958 el satélite espacial Vanguard contaba con un pequeño generador FV para alimentar su radio. En la actualidad las células FV cubren las necesidades energéticas de la mayoría de los satélites y la energía FV continúa jugando un papel primordial en la tecnología aeroespacial. La industria electrónica, principalmente la tecnología de transistores de semiconductores, también contribuyó al desarrollo de las células FV.

Los transistores y las células FV están elaboradas con materiales similares y operan con base en mecanismos físicos también similares. Como resultado, se produce una transferencia de tecnología de los avances en la investigación de los transistores (en la actualidad, el proceso es inverso en algunas ocasiones). A pesar de estos avances, los dispositivos FV de los años 70 todavía eran demasiado costosos para usos terrestres. Las crisis energéticas ocurridas años más tarde hacen resurgir el interés por estos dispositivos, efectuándose a nivel mundial grandes inversiones económicas en investigación, desarrollo, producción y demostración.

Actualmente, los módulos fotovoltaicos tienen rendimientos del 7% al 17%, son altamente fiables y su vida media está en torno a más de 30 años. Hoy por hoy los módulos FV tienen un precio de 3,5 - 4 euros por vatio pico, produciendo electricidad a costes situados en el rango de los 0,2 - 0,5 euros por KWh. Este coste continúa reduciéndose. A causa de que la potencia de un generador FV varía según las condiciones de irradiancia y temperaturas, se habla de vatios en condiciones estándar de medida como “vatios pico” (STC, 1.000 Wm.2 y 25° C) (Alcor, 2002).

Fotones: Son partículas fundamentales, componente de todas las manifestaciones de radiación electromagnética (es decir que tanto la luz, como las ondas de radio o los rayos x poseen fotones). Toda la radiación electromagnética está cuantizada en forma de fotones. Los fotones son partículas cuánticas y como tal tienen una doble naturaleza corpuscular ondulatoria. Recordemos que la base del proceso mediante el cual una célula FV convierte la luz solar en electricidad es el efecto fotovoltaico. La luz solar está compuesta por fotones o partículas energéticas. Estos fotones son de distintas energías con base en las diferentes longitudes de onda del espectro solar. Cuando los fotones inciden sobre una célula FV pueden ser reflejados, absorbidos o pasar a través de él. Únicamente los fotones absorbidos generarán electricidad.

La energía del átomo de la célula se transfiere al electrón cuando un fotón es absorbido. Con esta nueva energía el electrón cambia su posición normal asociada a un átomo para formar parte de una corriente en un circuito eléctrico. Las células solares se fabrican a partir de materiales semiconductores, es decir, materiales que funcionan como aislantes a bajas temperaturas y como conductores cuando se aumenta dicha energía.

En la actualidad la mayoría de las células solares se basan en el silicio; si embargo, se está investigando activamente usando otro tipo de materiales, como el Arseniuro de Galio (AsGa), el TeCd, Se2CuIn, etc. Semiconductor: Es un elemento que se comporta como conductor o como aislante, dependiendo del campo eléctrico en el que se encuentre. Los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica son varios, y el más importante es el silicio.

Cuando la luz del sol incide sobre ciertos materiales llamados semiconductores, los fotones que la forman son capaces de transmitir su energía a los electrones de valencia del semiconductor, para que rompan el enlace que les mantiene ligados a los átomos respectivos (formación de pares electrón - hueco). Por cada enlace roto quedará un electrón libre para circular dentro del sólido. La falta del electrón en el enlace roto, que se denomina hueco, también puede desplazarse libremente por el interior del sólido, transfiriéndose de un átomo a otro debido al desplazamiento del resto de los electrones de los enlaces. Los huecos se comportan -en muchos aspectos- como partículas con carga positiva igual a la del electrón.