Las principales aplicaciones de la energ�a solar son de tipo t�rmico, donde la
energ�a luminosa, mediante diversos mecanismos se aprovecha en forma de calor.
Sin embargo, existe una aplicaci�n no fotot�rmica de mucha importancia que
consiste en la producci�n de electricidad a partir de la radiaci�n solar mediante
celdas solares y paneles fotovoltaicos.
La energ�a el�ctrica no est� presente en la naturaleza como fuente de
energ�a primaria y, en consecuencia, s�lo podemos disponer de ella obteni�ndola
por transformaci�n de alguna otra forma de energ�a. Una de las primeras formas
como el hombre obtuvo energ�a el�ctrica fue mediante el uso de pilas que
generaban electricidad a partir de reacciones qu�micas. Posteriormente, la
energ�a mec�nica fue la principal fuente de electricidad gracias a la utilizaci�n de
d�namos y alternadores. En la actualidad, la principal manera de obtener la
electricidad es mediante el uso de grandes centrales termoel�ctricas, en las que la
energ�a t�rmica liberada por una fuente de energ�a primaria (madera, carb�n,
petr�leo, gas, combustible nuclear, etc.) se transforma en electricidad a trav�s
de un proceso que exige el uso de turbinas y alternadores, los cuales cubren la
etapa final de conversi�n de energ�a mec�nica en el�ctrica. Tambi�n las centrales
hidroel�ctricas son de importancia en la actualidad y conceptualmente trabajan
bajo el mismo principio al utilizar la energ�a potencial de una ca�da de agua para
obtener energ�a mec�nica que posteriormente ser� transformada en el�ctrica.
Recientemente, el hombre ha aprendido a obtener electricidad a partir de la
energ�a solar mediante procesos fotot�rmicos y fotovoltaicos. Los primeros operan
bajo principios semejantes a los de las centrales t�rmicas convencionales. Los
denominados fotovoltaicos, presentan una importante simplificaci�n respecto a los
procesos energ�ticos convencionales, debido a que transforman una energ�a
primaria, la solar, en electricidad de un modo directo, es decir, sin
transformaciones intermedias en otras formas de energ�a. De lo anterior, podemos
entonces decir que las c�lulas solares o celdas fotovoltaicas son dispositivos
capaces de transformar la radiaci�n solar en electricidad, de un modo directo.
Estos dispositivos son est�ticos y en absoluto semejantes a las generadores
convencionales.
El cap�tulo esta dedicado a este tipo de dispositivos y se describen los
principios bajo los cuales funcionan, la tecnolog�a de su fabricaci�n, las formas
como se utilizan a trav�s de paneles fotovoltaicos y sus principales aplicaciones.
Existen ciertos materiales que al absorber un determinado tipo de radiaci�n
electromagn�tica generan en su interior pares de cargas positivas y negativas. Si
la radiaci�n electromagn�tica es la solar y el material es un semiconductor tal como
el silicio, Si, los pares de carga son electrones (e-) y huecos (h+) que una vez
producidos se mueven aleatoriamente en el volumen del s�lido. Si no hay ning�n
condicionante externo ni interno, las cargas de signos opuestos se recombinan
neutraliz�ndose mutuamente. Por el contrario, si mediante alg�n procedimiento se
crea en el interior del material un campo el�ctrico permanente, las cargas
positivas y negativas ser�n separadas por �l. Esta separaci�n conduce al
establecimiento de una diferencia de potencial entre dos zonas del material que, si
son conectadas entre s� mediante un circuito externo al mismo tiempo que la
radiaci�n electromagn�tica incide sobre el material, dar�n origen a una corriente
el�ctrica que recorrer� el circuito externo. Este fen�meno se conoce como efecto
fotovoltaico y es el fundamento en el que se basan las celdas fotovoltaicas. En la
figura 8.1 se esquematiza el mecanismo descrito.
El campo el�ctrico interno local se crea siempre que se ponen en contacto un
semiconductor tipo n con otro tipo p, es decir, donde existe una uni�n p-n. En la
pr�ctica dicha uni�n se logra mediante diferentes procedimientos, aunque los m�s
convencionales son las t�cnicas de difusi�n de impurezas dentro del material.
La descripci�n de la celda fotovoltaica se basa en las de Si monocristalino, aunque
lo que se expone es v�lido para todos los tipos de fotoceldas. Partiendo de una
oblea de Si (disco muy delgado) se produce una c�lula solar una vez que se ha
creado el campo el�ctrico interno ya citado y despu�s de preparar los contactos
el�ctricos adecuados. El campo el�ctrico debe ser superficial para que la radiaci�n
solar llegue f�cilmente hasta �l, de manera que la uni�n rectificadora se pone muy
pr�xima a la cara que enfrenta el sol. Por otro lado, los contactos el�ctricos que
se hacen en ambas caras de la oblea son de geometr�a y caracter�sticas especiales.
La cara que no recibe la radiaci�n se recubre totalmente, mientras que la cara
expuesta a los rayos solares s�lo se cubre parcialmente mediante un electrodo
met�lico en forma de red. (Ver figura 8.2.a). Esto permite que el electrodo recoja
en forma eficiente los portadores de carga el�ctrica generados en el interior de la
oblea, adem�s de permitir que los rayos solares alcancen un porcentaje alto del
�rea del material semiconductor. (Ver figura 8.2.b).
Figura 8.2 a) Representaci�n esquem�tica del funcionamiento de una c�lula solar
bajo la acci�n de la luz solar. b) Representaci�n aproximada de la estructura
exterior de una c�lula solar convencional de Si monocristalino
En resumen, para que una c�lula solar expuesta al sol produzca energ�a
el�ctrica debe reunir las siguientes tres caracter�sticas fundamentales:
a) Ser capaz de absorber una fracci�n importante de la radiaci�n solar para
que la generaci�n de pares electr�n-hueco sea eficiente.
b) Tener un campo el�ctrico interno que separe las dos cargas impidiendo su
posterior recombinaci�n.
c) Finalmente, las cargas separadas deben ser capaces de viajar a trav�s de la
oblea hasta los electrodos superficiales desde donde pasan al circuito
exterior.
Aunque en la pr�ctica las c�lulas solares de mayor utilizaci�n son las de Si
monocristalino, desde 1954 a la fecha se han ensayado y desarrollado una gran
variedad de nuevos tipos, modelos y conceptos de c�lulas solares. Estas se
pueden fabricar de diferentes geometr�as seg�n las necesidades.
El espectro solar est� compuesto por radiaci�n de diferente longitud de onda _,
como se observa en la figura 8.3.
Figura 8.3. Espectro de la radiaci�n solar fuera y dentro de la atm�sfera
terrestre.
La energ�a de los fotones, h_, depende de la longitud de onda y se mide
convencionalmente en electr�n-voltio (eV). La relaci�n que existe entre la
longitud de
onda _ y la energ�a de los fotones viene dada por la siguiente ecuaci�n:
Por otro lado, la energ�a necesaria para crear un par electr�n-hueco en el
silicio es de 1.12 eV aproximadamente, que corresponde a una _ = 1.1 �m. Debido
a que seg�n la ecuaci�n (8.1),la energ�a de los fotones es inversamente
proporcional a la longitud de onda, esta energ�a se puede obtener con radiaci�n
de longitud de onda, igual o menores que 1.1 �m y al valor m�ximo de _ se le
conoce como anchura de la banda prohibida. Esto quiere decir que s�lo los fotones
solares de energ�a igual o superior a ese valor, son absorbidos por el material,
mientras que los de _ mayores no tienen la energ�a suficiente para ser absorbidos.
Esto implica que aproximadamente el 40% de la radiaci�n solar que recibimos no es
�til para producir el efecto fotovoltaico. Por otra parte, los fotones de energ�a
elevada correspondientes a la regi�n violeta y ultravioleta del espectro, son
fuertemente absorbidos en la superficie del Si y generan pares de carga que se
recombinan antes de ser separados por el campo el�ctrico existente en la uni�n p-
n.
De acuerdo con estas consideraciones, se tiene que la respuesta �ptica de la
c�lula solar de silicio se extiende desde longitudes de onda de aproximadamente
0.4 a 1.1 �m, con un m�ximo alrededor de 0.85 �m, como se observa en la figura
8.4. En la tabla 8.1 se presentan adem�s algunas caracter�sticas generales de las
c�lulas de Si monocristalino.
Figura 8.4. Respuesta espectral de la c�lula de Si monocristalino.
Tabla 8.1. Caracter�sticas generales de las c�lulas de Si actuales.
Material
Di�metro
Espesor
Con insolaci�n _ 1 kW/m2 (AM1) la C.S. genera:
Corriente en cortocircuito (Isc)
Tensi�n en circuito abierto (Voc)
Corriente en el punto de m�xima potencia (Im)
Tensi�n en el punto de m�xima potencia (Vm)
Potencia m�xima (Wm)
Rendimientos actuales (_)
Si monocristalino
_ 10 cm
_300-400 �m
_ 2.2 A
_ 0.5 V
_ 2.0 A
_ 0.48 V
_ 1.0 W
_ 10-14 %
El rendimiento de operaci�n de una c�lula solar se define como el cociente entre la
energ�a el�ctrica producida y la energ�a solar interceptada por su superficie.
Cuando se optimiza la carga que la c�lula debe alimentar el rendimiento es m�ximo
y est� dado por la siguiente ecuaci�n:
donde I es el producto de la insolaci�n por la superficie efectiva de la c�lula, Pm
la potencia m�xima, Im la corriente en el punto de m�xima potencia y Vm la tensi�n
en el punto de m�xima potencia. (Ver tabla 8.1).
Existen ciertos factores que influyen en mayor o menor medida en el
rendimiento de una c�lula solar. Estos pueden ser de origen interno o externo
como caracter�sticas del material, espesor de la oblea, superficie activa, geometr�a
de los contactos, etc. Tambi�n pueden ser factores ambientales como temperatura
de operaci�n y composici�n espectral de la radiaci�n. Al aumentar la temperatura
por encima del ambiente (40-45 �C), el rendimiento disminuye, raz�n por la que
ser�a conveniente refrigerar la c�lulas solares.
La figura 8.5 muestra los valores te�ricos calculados para diferentes
materiales semiconductores en funci�n de la banda prohibida y suponiendo
insolaci�n extraterrestre. Si el c�lculo se repite con la energ�a que se recibe en la
superficie terrestre, se conserva la forma de las curvas pero los rendimientos se
hacen algo menores. Por ejemplo, el m�ximo rendimiento te�rico de la c�lula de
silicio el del orden del 22-23%, mientras que en la pr�ctica el m�ximo obtenido es
del orden del 18%. En general, las celdas fotovoltaicas disponibles en el mercado
tienen rendimientos del orden del 14-15%, el cual disminuye al 10-11% cuando se
montan en paneles fotovoltaicos.
Un concepto �til al trabajar con c�lulas solares es la potencia pico de una
c�lula fotovoltaica. Esta se denomina como la potencia el�ctrica que proporciona la
c�lula cuando recibe irradiancia m�xima (aprox. 1 kW/m2), es decir, al mediod�a
de un d�a despejado.
Figura 8.5. Rendimientos m�ximos te�ricos, suponiendo radiaci�n extraterrestre,
de c�lulas solares fabricadas con diferentes semiconductores.
8.3 TECNOLOGIA DE FABRICACION DE CELULAS Y MODULOS
FOTOVOLTAICOS.
Debido a que una c�lula solar genera corrientes y tensiones peque�os, �stas no
son los elementos que se utilizan en las aplicaciones pr�cticas, sino que, con
objeto de lograr potencias mayores, se acoplan en serie o en paralelo para obtener
mayores tensiones y corrientes formando lo que se denomina m�dulo fotovoltaico,
que es el elemento que se comercializa. A la vez, estos m�dulos se conectan en
serie o en paralelo para obtener las tensiones y corrientes que nos den la potencia
deseada. M�dulos en serie aumentan el voltaje y conservan la misma corriente,
mientras que m�dulos en paralelo aumentan la corriente, conservando el mismo
voltaje. Los m�dulos generalmente se fabrican para tener una salida de 12 VCD.
En la figura 8.6 se muestra un diagrama con la evoluci�n desde la c�lula solar
hasta el campo de paneles, base de las centrales fotovoltaicas.
Figura 8.6. Evoluci�n desde la c�lula solar al campo de paneles.
El proceso de fabricaci�n de las c�lulas solares de silicio lo podemos dividir
en tres grandes etapas:
a) Obtenci�n del Si de alta pureza. Este se obtiene a partir del �xido de
silicio, SiO2, b�sicamente cuarzo, cuya abundancia en la naturaleza elimina
problemas de abastecimiento. Este tiene que ser de alta pureza, semejante
al semiconductor que se utiliza en la industria electr�nica. Actualmente se
est� trabajando con silicio de menor pureza, pero �til para la fabricaci�n de
c�lulas solares y a un menor costo.
b) Obtenci�n de obleas. Utilizando como materia prima polvo de silicio de alta
pureza se hace crecer el monocristal hasta obtener una pieza cil�ndrica de
di�metro variable entre 2 y 20 cm y longitud de alrededor de 1 m. El
crecimiento del monocristal sirve para purificar el material y para la
creaci�n de una estructura perfecta, gracias a la cual la futura oblea
gozar� de propiedades semiconductoras.
La barra de silicio se corta mediante sierras especiales produciendo
obleas de espesor aproximado de 300 �m. En esta etapa hay una p�rdida de
material de aproximadamente el 60% en forma de serr�n. Actualmente existen
otras formas m�s eficientes de cortado de la barra.
c) Procesamiento de la oblea. Para obtener finalmente la c�lula solar, la oblea
sufre un procesamiento que consiste de los siguientes pasos: lapeado y
pulido, formaci�n de uni�n p-n, decapado y limpieza, capa antirreflectante,
fotoligraf�a para formaci�n de contactos, formaci�n de contactos o
electrodos, material para soldadura de electrodos, limpieza del decapante y
comprobaci�n de las caracter�sticas de la celda. La formaci�n de la uni�n p-
n es la etapa m�s cr�tica de todo el proceso de fabricaci�n, debido a que el
buen funcionamiento de la c�lula solar depende en gran medida de una
buena uni�n p-n. Por otro lado, una adecuada capa antirreflejante tambi�n
es necesaria, ya que una superficie de Si bien pulida puede llegar a reflejar
hasta el 34% de la radiaci�n de onda larga y un 54% si la radiaci�n es de onda
corta.
Suele llamarse generador fotovoltaico al conjunto de elementos, debidamente
acoplados, que permiten utilizar la energ�a el�ctrica obtenida por conversi�n de la
solar mediante las c�lulas solares. La estructura de un generador es variable
seg�n la aplicaci�n a la que est� destinado, aunque algunos elementos tienen que
estar presentes necesariamente. Para fines pr�cticos, podemos decir que hay dos
grandes grupos de generadores: los aut�nomos, que constituyen una fuente de
energ�a el�ctrica independiente de la red general de electricidad y que por lo
tanto precisan de alg�n sistema de almacenamiento de energ�a el�ctrica; y los no
aut�nomos, que operan en conjunto con dicha red y que pueden prescindir del
sistema de almacenamiento.
En la figura 8.7 se muestra un diagrama con algunas estructuras utilizadas
en los generadores fotovoltaicos.
Figura 8.7. Diversas estructuras de los generadores fotovoltaicos.
Los generadores fotovoltaicos aut�nomos se compones de tres subsistemas:
el panel fotovoltaico, donde la energ�a solar se convierte en corriente continua, el
regulador-conversor electr�nico y el subsistema de almacenamiento, que
generalmente son bater�as electroqu�micas. El acoplamiento de estos tres
subsistemas se hace en funci�n del tipo de consumo que vaya a satisfacer el
generador fotovoltaico, como se observa en la figura 8.7, donde el esquema
inferior describe un generador h�brido. El regulador tiene la doble funci�n de
evitar la sobrecarga de las bater�as desconect�ndolas cuando ya est�n cargadas, y
evitar la descarga de las mismas en per�odos en que los paneles no generan
suficiente energ�a por haber baja la insolaci�n o ser de noche.
Otra caracter�stica importante de los generadores fotovoltaicos es su
car�cter modular. Por modularidad se entiende la posibilidad de ampliar la
potencia pico instalada por acoplamiento de nuevos paneles. As�, el sistema se
adapta a la demanda sin la necesidad de adquirir un nuevo generador.
Por otro lado, el sistema de paneles fotovoltaicos posee un vida larga, unos
20 a 25 a�os, al final de los cuales su rendimiento debe ser del orden del 75% del
inicial. Despu�s de este tiempo, su degradaci�n se acelera y desciende el
rendimiento hasta valores despreciables.
Desde un punto de vista hist�rico, el motivo de la construcci�n de las celdas
fotovoltaicas fueron los sat�lites artificiales. La idea era construir un generador
el�ctrico para alimentar los equipos de toma de datos que llevaban a bordo, que
presentara ventajas con respecto a otros generadores como los termoel�ctricos y
las pilas de combustible. De hecho, las ventajas encontradas en este tipo de
generadores fueron: peso reducido, larga vida, ocupaci�n de espacio m�nima y
nivel de insolaci�n elevado y continuo por estar fuera de la atm�sfera terrestre,
aunque sus costos eran muy elevados. Para aplicaciones terrestres, el factor
econ�mico era muy importante si se deseaba tener una aplicaci�n m�s generalizada
y por lo tanto, desde esos a�os (1972-73), se inici� una tremenda carrera cuya
meta era la simplificaci�n y el descubrimiento de nuevas tecnolog�as, procesos, e
investigaci�n de nuevos materiales, que condujeran a un abaratamiento de las
c�lulas solares y dem�s componentes del generador fotovoltaico. Dichos esfuerzos
han rendido ya sus frutos y encontramos que en la actualidad los precios han
bajado dr�sticamente y existen muchas m�s aplicaciones de las c�lulas solares, las
cuales mencionaremos brevemente a continuaci�n:
a) Electrificaci�n rural y de viviendas aisladas. Existen muchas zonas rurales
y viviendas aisladas donde llevar energ�a el�ctrica por medio de la red
general ser�a demasiado costoso y por lo tanto no cuentan con este servicio.
En este caso, la instalaci�n de un generador fotovoltaico es ampliamente
rentable.
b) Comunicaciones. Los generadores fotovoltaicos son una excelente soluci�n
cuando hay necesidad de transmitir cualquier tipo de se�al o informaci�n
desde un lugar aislado, por ejemplo, reemisores de se�ales de TV,
plataformas de telemetr�a, radioenlaces, estaciones meteorol�gicas.
c) Ayudas a la navegaci�n. Aqu� la aplicaci�n puede ser relativa a la
navegaci�n misma o a sus se�alizaciones, como alimentar el�ctricamente
faros, boyas, balizas, plataformas y embarcaciones.
d) Transporte terrestre. Iluminaci�n de cruces de carretera peligrosos y
t�neles largos. Alimentaci�n de radiotel�fonos de emergencia o puestos de
socorro lejos de l�neas el�ctricas. Se�alizaciones de pasos a desnivel o
cambio de v�as en los ferrocarriles.
e) Agricultura y ganader�a. Se est� teniendo una atenci�n muy espacial en
estos sectores. Mediante generadores fotovoltaicos podemos obtener la
energ�a el�ctrica necesaria para granjas que conviene que est�n aisladas de
la zonas urbanas por motivos de higiene. Sin embargo, la aplicaci�n m�s
importante y de futuro es el bombeo de agua para riego y alimentaci�n de
ganado que normalmente se encuentra en zonas no pobladas. Otras
aplicaciones pueden ser la vigilancia forestal para prevenci�n de incendios.
f) Aplicaciones en la industria. Una de las principales aplicaciones en este
campo es la obtenci�n de metales como cobre, aluminio y plata, por
electr�lisis y la fabricaci�n de acumuladores electroqu�micos.
g) Difusi�n de la cultura. Televisi�n escolar para zonas aisladas. Difusi�n de
informaci�n mediante medios audiovisuales alimentados el�ctricamente
mediante generadores fotovoltaicos.
Vale la pena mencionar que en la actualidad tambi�n se est� trabajando con
generadores mixtos o h�bridos, esto es, adaptar el generador fotovoltaico con
otros generadores ya existentes como los e�licos o los generadores diesel.
Tambi�n podemos mencionar que actualmente se han construido algunas centrales
fotovoltaicas que proporcionan una potencia considerable y que en un momento
dado pueden llegar a ser rentables en ciertos casos, comparadas con las centrales
tradicionales como las termoel�ctricas o hidr�ulicas.
