Celdas solares

Eficientes, flexibles... y baratas

A. González Arias

Mayo 2009

Las celdas solares de primera generación se introdujeron comercialmente a principios de los años 80.  Construidas a partir de obleas o tabletas finas de silicio semiconductor,  aún se usan intensivamente en la actualidad. El silicio no absorbe la luz con mucha eficiencia, por lo que el grosor de las obleas no se puede reducir más allá de cierto valor; además, son frágiles, lo que complica el proceso productivo desde los mismos inicios hasta la instalación final del panel solar.

La segunda generación de celdas solares comenzó a finales de los años 90 con la introducción de la tecnología de láminas delgadas. Proporcionan una eficiencia similar a las de silicio, pero su grosor es unas 100 veces menor.[1] 

 Figura 1.  Celdas solares flexibles

Construidas apilando capas muy finas de diferentes materiales semiconductores, estas celdas presentan varios inconvenientes;  a) las capas semiconductoras se depositan mediante un proceso a alto vacío que resulta muy caro y complicado, y b) se colocan sobre un substrato de vidrio, que requiere de procesos adicionales para establecer los necesarios contactos eléctricos.

La actual tercera generación de celdas solares, también construidas a base de láminas delgadas, obvia las dificultades anteriores de la siguiente forma.  Las capas de material semiconductor se depositan directamente sobre metal, eliminando así pasos los adicionales para colocar los contactos.  Además, el procedimiento elimina la fragilidad del dispositivo, proporcionando celdas solares con un alto grado de flexibilidad, lo que resulta altamente ventajoso desde el punto de vista de su manipulación mecánica. 

Pero quizás la ventaja más importante sea que el proceso productivo se simplifica enormemente.  En vez de la complicada deposición al vacío, las capas semiconductoras se aplican mediante un chorro de tinta que contiene partículas semiconductoras nanométricas, usando un proceso de impresión rotativo similar al del offset convencional, empleado comúnmente para imprimir periódicos y revistas.  Este proceso abarata grandemente el costo de producción (figura 2).

Por otra parte, su capacidad de generar energía es comparable con la de las celdas precedentes, e incluso mejor.  Una de las compañías que producen este tipo de celdas, Nanosolar Inc. (www.nanosolar.com),  alega que sus paneles son capaces de generar hasta 5 veces más corriente que cualquier otro panel en el mercado en condiciones similares.

Figura 2.  Proceso de impresión offset.  Las imágenes entintadas van ubicadas en la placa madre, se trasladan a un cilindro de goma (offset) y de ahí al papel. El proceso offset se basa en que la tinta aceitosa, inmiscible con el agua, se pega sólo a las imágenes, mientras que el agua mantiene limpio el resto del cilindro.

 La electricidad proveniente de paneles solares convencionales cuesta unos 3 USD por watt.  El estimado óptimo de los paneles construidos con la nueva tecnología es de sólo 0.30 USD por watt, lo que haría la energía solar muy competitiva con el carbón y otros combustibles.

¿Cómo funciona una celda solar?

Su funcionamiento se basa en la diferencia de potencial que surge en una juntura PN.  En una celda convencional de silicio, tal juntura se logra poniendo en contacto íntimo silicio cristalino de alta pureza ‘dopado’ o contaminado con impurezas de diferente tipo (frontera de las regiones + y – en la figura 3).  En un caso las impurezas proporcionan un exceso de electrones en relación al material sin impurezas (silicio tipo N).  En el otro, ocasionan un defecto de electrones (o la aparición de ‘huecos’) formando el silicio tipo P.  Cuando se forma un contacto íntimo a nivel atómico entre ambos tipos de silicio, cierto número de los electrones en exceso migran hacia la región de ‘huecos’, formando pares electrón-hueco y dando origen a una ‘barrera’ de potencial interna que impide cualquier posible migración posterior.

Figura 3.  Izq. Celda solar convencional de silicio; Der. Distribución de las diferentes capas de la celda.

Un haz de luz incidente sobre la juntura es capaz de separar los pares electrón-hueco y forzar los electrones a saltar la barrera de potencial, creando una fuerza electromotriz (FEM) en los contactos externos de la celda. Si los contactos se conectan a un circuito externo cualquiera (por ejemplo, que contenga una resistencia) la FEM se comportará igual a la de una batería convencional;  aparece una corriente eléctrica (contraria al movimiento de los electrones en la figura 3).  La corriente durará todo el  tiempo que la juntura se mantenga iluminada.

Hay elementos adicionales que se deben tomar en cuenta para garantizar el funcionamiento de la celda.  El silicio es un material muy reflectante, y gran parte de la los fotones incidentes se reflejan en su superficie sin que se puedan aprovechar para generar corriente.  Para evitar esto se utilizan capas antirreflectantes, que logran reducir las pérdidas luminosas a menos de un 5 por ciento. 

Las celdas se conectan en arreglos en serie y paralelo (usualmente de 36 celdas cada uno) para alcanzar niveles adecuados de voltaje y corriente.  Finalmente, las celdas se colocan en un panel rígido con electrodos para las conexiones al circuito externo.  Una cubierta de vidrio protege todo el dispositivo de la acción del medio ambiente.

La celda solar de láminas delgadas

Las capas absorbentes en una celda solar de silicio tienen un espesor de 0.35 milímetros; la de una celda de láminas delgadas es de  sólo 0.001 milímetros (1 micrómetro).  Esto es posible porque los materiales utilizados absorben la radiación solar con mucha mayor eficiencia que el silicio cristalino.  Hay tres tipos diferentes de celdas a láminas delgadas, provenientes de diversas patentes y fabricantes: silicio amorfo (a-Si), cadmio-telurio (CdTe) y seleniuro de cobre-indio-galio (CuInGaSe). Todas se caracterizan por su gran flexibilidad, al estar depositadas directamente sobre una fina capa de metal o vidrio.[2]   

Figura 4. Celda solar tipo CuInGaSe

La figura 4 muestra el tipo de celda fabricada por Nanosolar.inc, de California.  Esta compañía ha desarrollado una tecnología basada en tinta de nanopartículas[3] para depositar las diferentes capas semiconductoras sobre una lámina metálica fina.  La capa adicional de óxido de zinc hace el papel de un electrodo (además, no es reflectiva, permitiendo que la luz pase fácilmente) mientras que el otro electrodo lo constituye el substrato metálico.  Los diferentes tipos de silicio P y N son aquí sustituidos por el seleniuro y el sulfuro de cadmio.

Las celdas como la de la figura 3 alcanzan un 20 por ciento de eficiencia, comparable al de las celdas de silicio, con eficiencia de 15-25 por ciento, con la inmensa ventaja de construirse a partir de una tecnología productiva mucho más sencilla que las anteriores. La tecnología desarrollada por Nanosolar.Inc consta de los siguientes pasos fundamentales.

1. Papel de aluminio (aluminium foil) se hace pasar por grandes imprentas rotativas, similares a las utilizadas para imprimir periódicos (figura 5).

2. Una impresora de tinta, operando al aire, deposita una delgada capa de tinta de CuInGaSe semiconductor en el substrato de aluminio.

3. Otras impresoras depositan las capas de oxido de zinc y sulfuro de cadmio. Después de cada proceso es necesario aplicar uno o más tratamientos térmicos para ‘fijar’ las tintas y formar la juntura. 

4.  Finalmente, la lámina resultante se corta en el tamaño adecuado y se ensamblan en circuitos, incluyendo algún proceso adicional de encapsulado en un polímero impermeable para proteger la celda.

Figura 5. Papel de aluminio pasando por la impresora

Los fabricantes aseguran que las rotativas son cómodas de usar y de fácil mantenimiento, y que se pierde muy poca materia prima durante el proceso productivo.

Las celdas solares flexibles obtenidas a partir de la impresión en rotativas son ya una realidad.  En Saxony, Alemania, se finaliza la construcción de una planta solar eléctrica de 40 megawatts sobre la base de celdas de cadmio-telurio.  Además de ser ecológicas, las plantas solares de nueva tecnología son competitivas con las de otros tipos de combustible, y se pueden construir en lugares que no serían apropiados para construir plantas eléctricas del tipo convencional. 

En estos momentos ya no resulta difícil imaginar un futuro donde las azoteas y fachadas de los edificios estarán literalmente tapizados con celdas solares flexibles, y que los arquitectos las utilizaran cotidianamente como parte del diseño de edificios de todo tipo.