La célula solar

La c√©lula solar: funci√≥n, eficiencia y vida √ļtil

Las c√©lulas solares generan electricidad a partir de la energ√≠a de la luz solar.¬†Pero, ¬Ņc√≥mo funciona una c√©lula solar y qu√© tipos de c√©lulas solares existen?¬†Hemos reunido toda la informaci√≥n importante sobre las c√©lulas solares.

¬ŅQu√© es una c√©lula 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 mayor√≠a de las calculadoras disponibles en la actualidad funcionan con energ√≠a solar y ya no es necesario cargarlas.
  • Relojes de pulsera: Las c√©lulas solares se utilizaron en los relojes de pulsera desde el principio e hicieron que el molesto cambio de bater√≠a fuera superfluo.
  • M√°quinas expendedoras de boletos de estacionamiento:¬†Las c√©lulas solares tambi√©n son una ventaja para las m√°quinas expendedoras de boletos de estacionamiento.¬†Por lo que se pueden configurar f√°cilmente y sin conexi√≥n a la red el√©ctrica.
  • Uso en el espacio:¬†Todos los¬†sat√©lites est√°n equipados con c√©lulas solares.¬†Lo mismo se aplica a las sondas espaciales o c√°psulas espaciales, que tambi√©n tienen electricidad lejos de la tierra gracias a las c√©lulas solares.
  • M√≥dulos fotovoltaicos para techo o espacios abiertos:¬†Tradicionalmente, las c√©lulas solares se combinan para formar un m√≥dulo fotovoltaico que se utiliza para generar electricidad en viviendas unifamiliares o para grandes sistemas fotovoltaicos en oficinas o espacios abiertos.

¬ŅC√≥mo funciona una c√©lula solar?

Se utiliza un material semiconductor en una celda solar porque los semiconductores tienen una conductividad mejorada cuando se les suministra energ√≠a.¬†Cuando cae la luz, la conductividad de la celda aumenta, los electrones se mueven y se genera electricidad.¬†El 95% de las c√©lulas solares utilizan silicio semiconductor, porque el silicio, porque es segundo elemento m√°s com√ļn en la tierra y est√° disponible en cantidades suficientes.

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Pero, ¬Ņc√≥mo funciona en detalle la generaci√≥n de energ√≠a en una c√©lula solar?

Modelo atómico de Excursus

Cada material consta de √°tomos individuales.¬†Un bloque de silicio tambi√©n consta de √°tomos individuales.¬†Un √°tomo, a su vez, tiene un n√ļcleo cargado positivamente y una capa exterior en la que se unen un cierto n√ļmero de part√≠culas 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 invenci√≥n de la c√©lula solar se dio en 1839.¬†En ese momento, el f√≠sico franc√©s Alexandre Edmond Becquerel estaba trabajando en una soluci√≥n de electrolitos cuando descubri√≥ que se generaban peque√Īas corrientes el√©ctricas cuando la luz incid√≠a sobre los metales.¬†Aunque todav√≠a no se dispon√≠a de una explicaci√≥n del efecto, se coloc√≥ la piedra angular para futuras investigaciones.¬†En 1873 se descubri√≥ finalmente que el selenio cambiaba su resistencia el√©ctrica cuando se expon√≠a a la luz.¬†Esto provoc√≥ m√°s actividad investigadora.¬†En 1876 se demostr√≥ que el selenio produc√≠a electricidad cuando se expon√≠a a la luz.¬†Por tanto, por primera vez se ten√≠a la certeza de que un s√≥lido pod√≠a generar energ√≠a el√©ctrica sin necesidad de un desv√≠o a trav√©s del calor o la energ√≠a cin√©tica, como se conoce en las centrales el√©ctricas.

El efecto fotoel√©ctrico fue cuestionado por algunos cient√≠ficos en los a√Īos siguientes.¬†Sin embargo, m√°s investigaciones demostraron la seriedad del descubrimiento.¬†Las primeras c√©lulas solares en funcionamiento se desarrollaron en 1883.¬†Sin embargo, estos eran tan ineficaces que su uso no val√≠a 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.

Tambi√©n hay¬†c√©lulas solares de pel√≠cula delgada¬†que est√°n 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 c√©lulas solares, como las c√©lulas solares concentradoras, las c√©lulas solares de uni√≥n m√ļltiple o las c√©lulas solares org√°nicas, 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 c√©lulas solares monocristalinas¬†consisten en silicio puro, que se obtiene a partir de arena de cuarzo o grava de cuarzo en el primer paso de producci√≥n.¬†En el siguiente paso, el silicio se extrae de la masa fundida en forma de varilla y se divide en rodajas finas, las llamadas lim√≠colas.¬†Finalmente, se modifica ligeramente la superficie de la c√©lula solar y se aplican los contactos el√©ctricos y la capa reflectante. 
  • Las c√©lulas solares policristalinas, por otro lado, se moldean a partir de un bloque de silicio. Esto se enfr√≠a y se forman cristales de diferentes estructuras y tama√Īos. Este bloque tambi√©n se divide en porciones. Cada disco es una c√©lula 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.

célula solar monocristalina

Costo de una celda solar 2021

Si preguntas por los¬†costos de los m√≥dulos fotovoltaicos, generalmente se dan los costos de producci√≥n de 1 vatio de energ√≠a fotovoltaica.¬†Actualmente se encuentran entre 0,25‚ā¨ y 0,35‚ā¨ por vatio.¬†Sin embargo, si deseas instalar un sistema fotovoltaico privado en tu casa familiar, existen costos de transporte, planificaci√≥n e instalaci√≥n adem√°s de los costos de producci√≥n pura.¬†Aqu√≠, un vatio de energ√≠a fotovoltaica cuesta 0,40-0,80‚ā¨.¬†Un m√≥dulo fotovoltaico econ√≥mico de 300 vatios y 60 c√©lulas solares para uso privado est√° disponible por unos 120‚ā¨.¬†Esto da como resultado unos costes de alrededor de 2‚ā¨ para una c√©lula solar con 5 vatios de potencia incorporada en un m√≥dulo fotovoltaico.

El futuro de la célula solar

Es de esperar que la¬†eficiencia de las c√©lulas solares¬†contin√ļe aumentando y, por lo tanto, el precio por vatio de energ√≠a fotovoltaica tambi√©n disminuir√° a√ļn m√°s.¬†En el laboratorio, las c√©lulas solares ya han alcanzado eficiencias del 47,1%.

Sin embargo, en general, la tecnolog√≠a solar ya est√° relativamente bien desarrollada y las ca√≠das de precios radicales como las que se lograron en los primeros a√Īos a partir del 2000 en adelante no se repetir√°n.¬†Los interesados ‚Äč‚Äčen la fotovoltaica ya no tienen que esperar a que la tecnolog√≠a se abarate, porque los¬†sistemas fotovoltaicos¬†ya¬†son rentables hoy en d√≠a¬†y generan retornos de alrededor del 5-8%.

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