Células fotovoltaicas

Células fotovoltaicas: conoce su evolución, sus diferentes tipos y las últimas innovaciones

Energía fotovoltaica Ciencia

La energía fotovoltaica, renovable, limpia e ilimitada, es un pilar clave en el proceso de descarbonización del planeta y en la lucha contra el cambio climático. De hecho, en muchos países será fundamental para alcanzar los objetivos climáticos de 2030, más teniendo en cuenta la paulatina reducción de los costes de los paneles solares. Su proliferación también favorecerá la creación de empleos verdes e impulsará un desarrollo sostenible de la economía. Y todo gracias a una pieza imprescindible: la célula fotovoltaica.

Qué es una célula fotovoltaica

Una célula fotovoltaica es un dispositivo electrónico que convierte la energía procedente de la radiación solar que llega a la Tierra en forma de luz (fotones) en energía eléctrica (electrones) gracias al efecto fotoeléctrico. Entre los principales hitos de la historia del desarrollo de estas células, cabe destacar:

• En 1839, el físico francés Alexandre-Edmond Becquerel descubre el efecto fotoeléctrico.
• En 1883, el inventor estadounidense Charles Fritts construye la primera célula solar, la cual contaba con una eficiencia del 1 %.
• En 1905, un artículo explica por primera vez el efecto fotoeléctrico. Su autor fue un joven alemán de 26 años llamado Albert Einstein.
• En 1954, los estadounidenses laboratorios Bell descubren accidentalmente que los semiconductores de silicio dopado con ciertas impurezas son hipersensibles a la luz y la eficiencia sube al 6 %.
• En 1957, la Unión Soviética lanza su primer satélite espacial, el cual incluía células solares. A principios de 1958, Estados Unidos hace lo propio. La carrera espacial durante la Guerra Fría impulsó de manera crucial el desarrollo de estas células, elevando su eficiencia por encima del 15 %.
• Gracias a la reducción de precios, a mediados de los noventa comenzaron a proliferar paneles solares en los tejados de los países desarrollados, y con la llegada del siglo XXI empiezan a producirse en masa.

Cómo funciona una célula fotovoltaica

Las células fotovoltaicas se componen de dos semiconductores con cargas opuestas separados por una junta neutra: la capa negativa (semiconductor N) se genera modificando una estructura cristalina de silicio para conseguir un exceso de electrones y la capa positiva (semiconductor P) carece de un electrón para ser estable, por lo que se comporta como una carga positiva dentro de la red cristalina. De esta manera, en la zona de la junta (unión P/N) se produce una neutralización de cargas que, al exponerse a la luz solar por la zona N, libera electrones aumentando la diferencia de potencial entre las zonas N y P. Esta diferencia en un circuito cerrado da lugar a la corriente eléctrica, parte de la cual es la electricidad de la que disfruta el usuario.

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Tipos de células fotovoltaicas

En la actualidad, la mayoría de las células fotovoltaicas son de silicio, ya que este material semiconductor se encuentra en abundancia y es barato. En concreto, se depura y se cristaliza para después cortarlo en finas capas y formar la célula. De acuerdo al proceso de fabricación del silicio, estas se clasifican en:

Células de silicio monocristalino

Están formadas por un único cristal de silicio con estructura uniforme y garantizan un rendimiento superior al resto de células de silicio (18-25 %), ya que la perfecta alineación de sus átomos favorece la conductividad. Su inconveniente es que su tiempo de fabricación y su coste es superior al resto.

Células de silicio policristalino

Están formadas por numerosos cristales de silicio y, aunque su proceso de fabricación es más económico que el del silicio monocristalino, su rendimiento es inferior (16-20 %).

Células de silicio amorfo

Con una estructura atómica irregular, este silicio se deposita en películas delgadas sobre sustratos flexibles, como el vidrio, el metal y el plástico, facilitando que estos paneles se adapten a cualquier superficie y permitan una mejor integración arquitectónica. Su rendimiento es mucho menor que el del silicio cristalino (6-8 %), pero es más económico.

Además de estas células, en los últimos años se han producido innovaciones que están llevando esta tecnología al siguiente nivel. Las células fotovoltaicas multiunión contienen múltiples uniones P/N de diferentes materiales semiconductores, cada una de las cuales produce corriente eléctrica en respuesta a diferentes longitudes de onda, llegando a alcanzar en laboratorio una eficiencia en torno al 45-50 % bajo luz solar concentrada. Asimismo, las células solares en tándem también permiten alcanzar mayores rendimientos a través del apilamiento monolítico de células con diferentes intervalos de banda, especialmente, gracias a un material que promete dar que hablar en el futuro: la perovskita.

Aplicaciones de las células fotovoltaicas

Hoy día, los ámbitos más comunes en los que se utilizan las células fotovoltaicas para generar energía son:

 Hogares

Habitualmente, se utiliza para alimentar el sistema de iluminación y los demás aparatos eléctricos de la casa (lavadora, lavavajillas, nevera, televisión, ordenador, etc.), para calentar el agua, los radiadores o los suelos radiantes y para la climatización de piscinas, entre otros usos, gracias a las instalaciones de autoconsumo fotovoltaico.

 Iluminación en lugares remotos

Gracias a sus baterías de almacenamiento, es la solución ideal para suministrar electricidad en lugares aislados donde la red no llega o es demasiado caro servirse de ella: ayudas a la navegación (por ejemplo, faros), postes SOS en las carreteras, señalización ferroviaria, etc.

 Alumbrado público

En las llamadas farolas solares, la batería, que se carga durante el día a través del panel solar, alimenta la lámpara LED por la noche. Hay otros elementos urbanos que funcionan con este sistema: parquímetros, semáforos, estaciones de carga de vehículos eléctricos, paradas de autobús, etc.

 Caravanas y barcos

Los paneles solares se utilizan en caravanas para aportar autonomía y electricidad gratuita a aquellos que pasan mucho tiempo en ellas. De modo similar, facilita la vida a los navegantes, que los usan para alimentar de energía sus barcos, pudiendo así pasar más tiempo en alta mar.

 Satélites y naves espaciales

A miles de kilómetros del enchufe más cercano en la Tierra, los satélites y las naves dependen de la energía solar. Por ejemplo, así funciona la Estación Espacial Internacional (ISS), en la cual pueden vivir y realizar investigaciones los astronautas gracias a sus enormes paneles solares.