Las células solares generan electricidad a partir de la energía de la luz solar. Pero, ¿cómo funciona una célula solar y qué tipos de células solares existen? Hemos reunido toda la información importante sobre las células solares.
¿Qué es una célula solar?
Una célula solar convierte la energía radiante del sol (luz solar) en energía eléctrica. Por tanto, es un componente eléctrico. La conversión de la luz solar en electricidad con la ayuda de células solares también se conoce como energía fotovoltaica.
Atención: Las células solares a menudo se confunden con los colectores solares, que se utilizan en energía solar térmica y en lugar de la radiación solar utilizan energía solar térmica para suministrar calor.
Aplicaciones de las células solares
Las células solares no solo se utilizan como módulos fotovoltaicos para generar electricidad en el techo de la casa, sino que también se utilizan en muchas áreas. A continuación, se muestran algunos ejemplos típicos:
- Calculadoras: La mayoría de las calculadoras disponibles en la actualidad funcionan con energía solar y ya no es necesario cargarlas.
- Relojes de pulsera: Las células solares se utilizaron en los relojes de pulsera desde el principio e hicieron que el molesto cambio de batería fuera superfluo.
- Máquinas expendedoras de boletos de estacionamiento: Las células solares también son una ventaja para las máquinas expendedoras de boletos de estacionamiento. Por lo que se pueden configurar fácilmente y sin conexión a la red eléctrica.
- Uso en el espacio: Todos los satélites están equipados con células solares. Lo mismo se aplica a las sondas espaciales o cápsulas espaciales, que también tienen electricidad lejos de la tierra gracias a las células solares.
- Módulos fotovoltaicos para techo o espacios abiertos: Tradicionalmente, las células solares se combinan para formar un módulo fotovoltaico que se utiliza para generar electricidad en viviendas unifamiliares o para grandes sistemas fotovoltaicos en oficinas o espacios abiertos.
¿Cómo funciona una célula solar?
Se utiliza un material semiconductor en una celda solar porque los semiconductores tienen una conductividad mejorada cuando se les suministra energía. Cuando cae la luz, la conductividad de la celda aumenta, los electrones se mueven y se genera electricidad. El 95% de las células solares utilizan silicio semiconductor, porque el silicio, porque es segundo elemento más común en la tierra y está disponible en cantidades suficientes.
Pero, ¿cómo funciona en detalle la generación de energía en una célula solar?
Modelo atómico de Excursus
Cada material consta de átomos individuales. Un bloque de silicio también consta de átomos individuales. Un átomo, a su vez, tiene un núcleo cargado positivamente y una capa exterior en la que se unen un cierto número de partículas cargadas negativamente, los llamados electrones. El silicio, por ejemplo, tiene cuatro electrones en su capa exterior.
Estructura de una célula solar sin incidencia de luz
En la capa superior de una célula solar hay átomos de silicio con cuatro electrones externos que están conectados a átomos de fósforo. Sin embargo, a diferencia del silicio, los átomos de fósforo tienen 5 electrones externos. Si se conectan al silicio, tienen un exceso de electrones externos (dopaje n). En la capa inferior de una célula solar, sin embargo, hay átomos de silicio que están conectados a átomos de boro (dopaje p). Los átomos de boro solo tienen 3 electrones en su capa exterior y, por lo tanto, espacio para otro átomo.
Por lo tanto, el exceso de electrones de la capa de silicio-fósforo puede combinarse con los átomos de boro y se forma una capa de átomos de boro con cuatro electrones en la capa exterior (capa límite). Dado que la capa superior de silicio ha emitido electrones negativos, inicialmente está cargada positivamente. La capa inferior, por otro lado, ha absorbido electrones y está cargada negativamente.
Celda solar con incidencia de luz
Si la luz incide en la célula solar, el exceso de electrones en los átomos de boro se excita y se expulsa del átomo de boro. Dado que las cargas positivas y negativas se atraen entre sí, los electrones cargados negativamente luego migran a la capa superior cargada positivamente de la célula solar. Esto nuevamente crea una falta de electrones y una carga positiva en la parte inferior del módulo solar.
Las células solares tienen un camino conductor metálico en la parte superior e inferior, a través del cual los electrones se conducen de nuevo a la zona inferior, esta vez cargada positivamente de la célula solar (contacto lateral trasero). El flujo de corriente generado de esta manera a través de las pistas conductoras es corriente continua, que se puede transportar a través de cables y seguir utilizándose.
La invención de la célula solar
El primer paso hacia la invención de la célula solar se dio en 1839. En ese momento, el físico francés Alexandre Edmond Becquerel estaba trabajando en una solución de electrolitos cuando descubrió que se generaban pequeñas corrientes eléctricas cuando la luz incidía sobre los metales. Aunque todavía no se disponía de una explicación del efecto, se colocó la piedra angular para futuras investigaciones. En 1873 se descubrió finalmente que el selenio cambiaba su resistencia eléctrica cuando se exponía a la luz. Esto provocó más actividad investigadora. En 1876 se demostró que el selenio producía electricidad cuando se exponía a la luz. Por tanto, por primera vez se tenía la certeza de que un sólido podía generar energía eléctrica sin necesidad de un desvío a través del calor o la energía cinética, como se conoce en las centrales eléctricas.
El efecto fotoeléctrico fue cuestionado por algunos científicos en los años siguientes. Sin embargo, más investigaciones demostraron la seriedad del descubrimiento. Las primeras células solares en funcionamiento se desarrollaron en 1883. Sin embargo, estos eran tan ineficaces que su uso no valía la pena.
La investigación de las células solares sólo se aceleró nuevamente en la década de 1930. En 1940, el investigador de semiconductores Ohl en Bell Labs descubrió que una muestra de silicio agrietado generaba electricidad cuando se exponía a la luz. En 1948 surgió el primer concepto de los semiconductores fotovoltaicos actuales. Bell Labs introdujo la primera celda solar realmente utilizable en 1854 y tenía una eficiencia del 6%. Desde entonces, la tecnología de células solares ha seguido desarrollándose. Las eficiencias actuales rondan el 20% y los costes de fabricación también se han reducido significativamente debido a la producción en masa.
Tipos de celdas solares
La mayoría de las células solares están hechas de silicio. De nuevo se hace una distinción entre células monocristalinas y policristalinas. Las células solares monocristalinas consisten en silicio puro, mientras que las células policristalinas están compuestas por muchos cristales de silicio individuales y, por lo tanto, tienen una estructura no uniforme.
También hay células solares de película delgada que están hechas de silicio amorfo y en las que el silicio se deposita en forma de vapor sobre un material portador en una capa muy delgada. Otros tipos de células solares, como las células solares concentradoras, las células solares de unión múltiple o las células solares orgánicas, se utilizan raramente.
Fabricación de una célula solar
Las células solares ahora se producen en grandes fábricas. La producción de células solares monocristalinas se diferencia de la producción de células solares policristalinas.
- Las células solares monocristalinas consisten en silicio puro, que se obtiene a partir de arena de cuarzo o grava de cuarzo en el primer paso de producción. En el siguiente paso, el silicio se extrae de la masa fundida en forma de varilla y se divide en rodajas finas, las llamadas limícolas. Finalmente, se modifica ligeramente la superficie de la célula solar y se aplican los contactos eléctricos y la capa reflectante.
- Las células solares policristalinas, por otro lado, se moldean a partir de un bloque de silicio. Esto se enfría y se forman cristales de diferentes estructuras y tamaños. Este bloque también se divide en porciones. Cada disco es una célula solar.
De la célula solar al sistema fotovoltaico
Por lo general, una celda solar no se instala individualmente, sino que se conecta junto con otras celdas solares para formar un llamado módulo fotovoltaico. Un módulo fotovoltaico generalmente consta de 60 células solares individuales, pero también están disponibles módulos fotovoltaicos con 72 células. Los módulos de media celda incluso tienen 120 celdas, ya que aquí las celdas se cortan a la mitad después de la producción. Un sistema fotovoltaico finalmente es un compuesto de módulos fotovoltaicos, que están conectados eléctricamente y generan electricidad en un sitio.
Costo de una celda solar 2021
Si preguntas por los costos de los módulos fotovoltaicos, generalmente se dan los costos de producción de 1 vatio de energía fotovoltaica. Actualmente se encuentran entre 0,25€ y 0,35€ por vatio. Sin embargo, si deseas instalar un sistema fotovoltaico privado en tu casa familiar, existen costos de transporte, planificación e instalación además de los costos de producción pura. Aquí, un vatio de energía fotovoltaica cuesta 0,40-0,80€. Un módulo fotovoltaico económico de 300 vatios y 60 células solares para uso privado está disponible por unos 120€. Esto da como resultado unos costes de alrededor de 2€ para una célula solar con 5 vatios de potencia incorporada en un módulo fotovoltaico.
El futuro de la célula solar
Es de esperar que la eficiencia de las células solares continúe aumentando y, por lo tanto, el precio por vatio de energía fotovoltaica también disminuirá aún más. En el laboratorio, las células solares ya han alcanzado eficiencias del 47,1%.
Sin embargo, en general, la tecnología solar ya está relativamente bien desarrollada y las caídas de precios radicales como las que se lograron en los primeros años a partir del 2000 en adelante no se repetirán. Los interesados en la fotovoltaica ya no tienen que esperar a que la tecnología se abarate, porque los sistemas fotovoltaicos ya son rentables hoy en día y generan retornos de alrededor del 5-8%.
