Células solares

Ahora para más detalles…

Es una introducción básica a las células solares—y si eso es todo lo que querías, puedes detenerte aquí.El resto de este artículo entra en más detalles sobre los diferentes tipos de células solares, cómo la gente está poniendo la energía solar en uso práctico y por qué la energía solar está tardando tanto tiempo en ponerse en funcionamiento.

¿Qué tan eficientes son las células solares?

Gráfico: Eficiencias de las células solares comparadas: La primera célula solar raspada con una eficiencia de solo el 6 por ciento; la más eficiente que se ha producido hasta la fecha manejó el 46 por ciento en condiciones de laboratorio. La mayoría de las células son de primera generación que pueden manejar alrededor del 15 por ciento en teoría y probablemente el 8 por ciento en la práctica.

Una regla básica de la física llamada ley de conservación de la energía dice que no podemos crear energía mágicamente o hacerla desaparecer en el aire delgado; todo lo que podemos hacer es convertirla de una forma a otra. Eso significa que una célula solar no puede producir más energía eléctrica de la que recibe cada segundo como luz. En la práctica, como veremos en breve, la mayoría de las células convierten alrededor del 10-20 por ciento de la energía que reciben en electricidad. Una solarcella de silicio de unión única típica tiene una eficiencia máxima teórica de alrededor del 30 por ciento, conocida como el límite de Shockley-Queisser. Esto se debe esencialmente a que la luz solar contiene una amplia mezcla de fotones de diferentes longitudes de onda y energías, y cualquier célula solar de unión única se optimizará para capturar fotones solo dentro de una determinada banda de frecuencia, desperdiciando el resto.Algunos de los fotones que golpean una célula solar no tienen suficiente energía para eliminar electrones, por lo que se desperdician efectivamente, mientras que algunos tienen demasiada energía, y el exceso también se desperdicia. Las células de laboratorio más avanzadas y avanzadas pueden gestionar un 46% de eficiencia en condiciones absolutamente perfectas utilizando múltiples uniones para capturar fotones de diferentes energías.

Los paneles solares domésticos del mundo real podrían lograr una eficiencia de alrededor del 15 por ciento, un punto porcentual dado aquí o allá, y es poco probable que mejore mucho.Las células solares de una sola unión de primera generación no alcanzarán el 30 por ciento de eficiencia del límite Shockley-Queisser, sin importar el registro de laboratorio del 46 por ciento. Todo tipo de factores molestos del mundo real consumirán la eficiencia nominal,incluida la construcción de los paneles, la forma en que se colocan y articulan, si alguna vez están a la sombra, qué tan limpios se mantienen, qué tan calientes se vuelven (el aumento de las temperaturas tiende a reducir su eficiencia) y si están ventilados (permitiendo que el aire circule por debajo)para mantenerlos frescos.

Tipos de células solares fotovoltaicas

La mayoría de las células solares que verá en los techos de las personas hoy en día son esencialmente sándwiches de silicio, especialmente tratados («dopados») para hacerlos mejores conductores eléctricos. Los científicos se refieren a las células solares clásicas como de primera generación, en gran medida para diferenciarlas de dos tecnologías diferentes y más modernas conocidas como de segunda y tercera generación. Entonces, ¿cuál es la diferencia?

Primera generación

Foto: Una colorida colección de células solares de primera generación.Foto cortesía del Centro de Investigación Glenn de la NASA (NASA-GRC).

Aproximadamente el 90 por ciento de las células solares del mundo están hechas de obleas de silicio cristalino (abreviado c-Si), cortadas de grandes lingotes,que se cultivan en laboratorios súper limpios en un proceso que puede durar hasta un mes para completarse. Los lingotes toman la forma de cristales individuales (monocristalinos o mono-Si) o contienen múltiples cristales (policristalinos,multi-Si o poli-c-Si). Las células solares de primera generación funcionan como si estuviéramos en la caja de arriba: utilizan una unión única y simple entre capas de silicio de tipo n y tipo p, que se cortan de lingotes separados. Por lo tanto, un lingote de tipo n se fabricaría calentando trozos de silicio con pequeñas cantidades de fósforo, antimonio o arsénico como dopante, mientras que un lingote de tipo p usaría boro como dopante.Los cortes de silicio tipo n y tipo p se fusionan para hacer la unión. Se añaden algunas campanas y silbatos más (como un revestimiento antirreflectante, que mejora la absorción de la luz y da a las células fotovoltaicas su característico color azul, vidrio protector en el frente y un respaldo de plástico, y conexiones metálicas para que la célula pueda conectarse a un circuito), pero una simple unión p-n es la esencia de la mayoría de las células solares. Es más o menos como han funcionado todas las células solares de silicio fotovoltaicas desde 1954, que fue cuando los científicos de Bell Lab utilizaron la tecnología: brillar con luz solar sobre el silicio extraído de y, generaron electricidad.

Segunda generación

Foto: Un panel solar de segunda generación de película delgada.»La película generadora de energía está hecha de silicio amorfo, sujeta a un soporte de plástico delgado, flexible y relativamente barato (el «sustrato»).Foto de Warren Gretz cortesía de NREL (id de imagen # 6321083).

Las células solares clásicas son obleas relativamente delgadas, generalmente una reacción de un milímetro de profundidad (aproximadamente 200 micrómetros, 200 µm, o algo así).Pero son losas absolutas en comparación con células de segunda generación, conocidas popularmente como células solares de película delgada (TPSC) o células fotovoltaicas de película delgada (TFPV), que nuevamente tienen aproximadamente 100 veces (varias micrómetros o millonésimas de metro de profundidad).Aunque la mayoría todavía están hechos de silicio (una forma diferente conocida como silicio amorfo, a-Si, en la que los átomos están dispuestos aleatoriamente en lugar de ordenados con precisión en una estructura cristalina regular), algunos están hechos de otros materiales, especialmente telururo de cadmio (Cd-Te) y diselenuro de indio galio de cobre (CIGS). Debido a que son extremadamente rígidas, ligeras y flexibles, las células solares de segunda generación se pueden laminar en ventanas, claraboyas, tejas y todo tipo de»sustratos» (materiales de soporte), incluidos metales, vidrio y polímeros (plásticos). Lo que las células de segunda generación ganan en flexibilidad, sacrifican la ineficiencia: las células solares clásicas de primera generación aún las superan. Por lo tanto, mientras que una célula de primera generación de primera categoría podría lograr una eficiencia del 15-20 por ciento, el silicio amorfo lucha por superar el 7 por ciento, las mejores células Cd-Te de película delgada solo logran aproximadamente el 11 por ciento, y las células CIGS no superan el 7-12 por ciento. Esta es una de las razones por las que, a pesar de sus ventajas prácticas, las células de segunda generación han tenido hasta ahora relativamente poco impacto en el mercado solar.

Células solares de polímero orgánico de tercera generación

Foto: Células solares de plástico de tercera generación producidas por investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable.Foto de Jack Dempsey cortesía de NREL (id de imagen # 6322357).

Las últimas tecnologías combinan las mejores características de las células de primera y segunda generación. Al igual que las células de primera generación, prometen altas eficiencias (30 por ciento o más). Al igual que las células de segunda generación, es más probable que estén hechas de materiales distintos del silicio «simple», como el silicio amorfo,los polímeros orgánicos (que producen energía fotovoltaica orgánica, OPV), los cristales de perovskita y las uniones múltiples (hechas de múltiples capas de materiales semiconductores diferentes). Idealmente, eso las haría más baratas,más eficientes y más prácticas que las células de primera o segunda generación.Actualmente, la eficiencia récord mundial para la tercera generación de solaris es del 28 por ciento, alcanzada por una célula solar en tándem de perovskita y silicio en diciembre de 2018.

¿Cuánta energía podemos producir con células solares?

En teoría, una cantidad enorme. Olvidemos las células solares por el momento y consideremos la luz solar pura. Hasta 1000 vatios de energía solar bruta por metro cuadrado de Tierra apuntando directamente al Sol (esa es la potencia teórica de la luz solar directa del mediodía en un día sin nubes, con los rayos solares encendidos perpendiculares a la superficie de la Tierra y dando la máxima iluminación o insolación, como se le conoce técnicamente). En la práctica, después de haber corregido la inclinación del planeta y la hora del día, lo mejor que es probable que obtengamos es de 100 a 250 vatios por metro cuadrado en latitudes típicas del norte(incluso en un día sin nubes). Eso se traduce en aproximadamente 2-6 kWh por día (dependiendo de si se encuentra en una región del norte como Canadá o Scotland o en algún lugar más servicial como Arizona o México).Multiplicar la producción de un año entero nos da un lugar entre 700 y 2500 kWh por metro cuadrado (700-2500 unidades de electricidad). Las regiones más cálidas tienen claramente un potencial solar mucho mayor: Oriente Medio, por ejemplo, recibe cada año entre un 50 y un 100% más de energía solar útil que Europa.

Desafortunadamente, las células solares típicas solo son aproximadamente un 15% eficientes, por lo que solo podemos capturar una fracción de esta energía teórica. Es por eso que los paneles solares deben ser tan grandes: la cantidad de energía que puede producir está obviamente directamente relacionada con la cantidad de área que puede cubrir con celdas. Una sola célula solar (aproximadamente del tamaño de un disco compacto) puede generar aproximadamente 3-4, 5 vatios; un módulo de sol típico hecho de un conjunto de aproximadamente 40 celdas (5 filas de 8 celdas) podría generar aproximadamente 100-300 vatios; por lo tanto, varios paneles solares, cada uno hecho de unos 3-4 módulos, podrían generar un máximo absoluto de varios kilovatios (probablemente lo suficiente para satisfacer las necesidades de energía de un hogar).

¿Qué pasa con las granjas solares?

Foto: El vasto Proyecto de Generación Solar Alamosa de 91 hectáreas (225 acres) en Colorado genera hasta 30 megavatios de energía solar utilizando tres astutos trucos. En primer lugar, hay un gran número de paneles fotovoltaicos (500 de ellos, cada uno con capacidad de hacer 60 kW). Cada panel está montado en un conjunto separado y giratorio para que pueda rastrear el Sol a través del cielo.Y cada una tiene múltiples lentes Fresnel montadas en la parte superior para concentrar los rayos del Sol en sus células solares.Foto de Dennis Schroeder cortesía de NREL (id de imagen # 10895528).

Pero, supongamos que queremos hacer grandes cantidades de solarpower. Para generar tanta electricidad como una turbina eólica robusta (con una potencia máxima de salida de tal vez dos o tres megavatios), necesita entre 500 y 1000 techos solares. Y para competir con una gran planta de carbón o energía nuclear (clasificada en gigavatios, lo que significa miles de megavatios o miles de millones de vatios), necesitaría 1000 veces más, el equivalente de aproximadamente 2000 turbinas eólicas o tal vez un millón de techos solares. (Esas comparaciones suponen que nuestra energía solar y eólica están produciendo la máxima producción.Incluso si las células solares son fuentes de energía limpias y eficientes,una cosa que realmente no pueden afirmar ser en este momento es el uso eficiente de la tierra. Incluso esas enormes granjas solares que ahora están surgiendo en todo el lugar producen solo cantidades modestas de energía (típicamente alrededor de 20 megavatios, o aproximadamente el 1 por ciento como una gran planta de carbón o nuclear de 2 gigavatios). La empresa británica Ecotricity ha estimado que se necesitan unos 22.000 paneles colocados en un sitio de 12 hectáreas (30 acres) para generar 4,2 megavatios de energía, aproximadamente hasta dos grandes turbinas eólicas y lo suficiente para alimentar 1.200 hogares.

Energía para las personas

Foto: Una micro turbina eólica y un panel solar funcionan juntos para alimentar un banco de baterías que mantiene esta señal de advertencia de construcción de carreteras encendida día y noche. El panel solar está montado, mirando hacia el cielo, en la «tapa» amarilla plana que se puede ver justo en la parte superior de la pantalla.

A algunas personas les preocupa que las granjas solares devoren la tierra que necesitamos para la agricultura real y la producción de alimentos. La preocupación sobre tierra-take se pierde un punto crucial si estamos hablando de colocar paneles solares en los techos domésticos. Los ecologistas argumentarían que el verdadero objetivo de la energía solar no es crear grandes centrales de energía solar centralizadas (empresas de servicios públicos tan poderosas que pueden seguir vendiendo electricidad a personas sin poder con un alto beneficio), sino desplazar centrales eléctricas centralizadas e ineficientes permitiendo que la gente tome energía por sí misma en el mismo lugar donde la usa. Esto elimina la ineficiencia de la generación de energía de combustibles fósiles, la contaminación del aire y las emisiones de dióxido de carbono que producen, y también elimina la ineficiencia de la transmisión de energía desde el punto de generación hasta el punto de uso a través de líneas eléctricas aéreas o subterráneas. Incluso si tiene que cubrir todo su techo con paneles solares(o células solares laminadas de película delgada en todas sus ventanas), si puede satisfacer todas sus necesidades de electricidad (o incluso una gran fracción de ellas), no importaría: su techo es solo espacio desperdiciado de todos modos.Según un informe de 2011 de la Asociación Europea de Industria Fotovoltaica y Greenpeace, no hay necesidad real de cubrir las tierras agrícolas valiosas con paneles solares: alrededor del 40 por ciento de todos los techos y el 15 por ciento de las fachadas de los edificios en los países de la UE serían adecuados para paneles fotovoltaicos, lo que representaría aproximadamente el 40 por ciento de la demanda total de electricidad para 2020.

Es importante no olvidar que la energía solar desplaza la generación de energía al punto de consumo de energía, y eso tiene grandes ventajas prácticas. Los relojes de pulsera y las calculadoras alimentadas con energía solar teóricamente no necesitan baterías (en la práctica, tienen baterías de respaldo) y muchos de nosotros disfrutaríamos de teléfonos inteligentes alimentados con energía solar que nunca necesitaron carga. Las señales de carreteras y ferrocarriles ahora a veces funcionan con energía solar; las señales de mantenimiento de emergencia parpadeantes a menudo tienen paneles solares instalados para que puedan desplegarse incluso en los lugares más remotos. En los países en desarrollo, ricos en luz solar pero pobres en infraestructura eléctrica, los paneles solares están alimentando bombas de agua, cabinas telefónicas y refrigeradores en hospitales y clínicas de salud.

¿Por qué aún no se ha puesto en marcha la energía solar?

La respuesta es una mezcla de factores económicos, políticos y tecnológicos. Desde el punto de vista económico, en la mayoría de los países, la electricidad generada por paneles solares sigue siendo más cara que la producida por la quema de combustibles fósiles contaminantes y sucios. El mundo tiene una enorme inversión en infraestructura de combustible fósil y, aunque las poderosas compañías petroleras han incursionado en vástagos de energía solar, parecen mucho más interesadas en prolongar la vida útil de las reservas de petróleo y gas existentes con tecnologías como el fracking (fracturación hidráulica). Políticamente, las compañías de petróleo, gas y carbón son enormemente poderosas e influyentes y se resisten al tipo de regulaciones ambientales que favorecen las tecnologías renovables como la energía solar y eólica. Tecnológicamente, como ya hemos visto, las células solares son un «trabajo en progreso» permanente y gran parte de la inversión solar del mundo todavía se basa en tecnología de primera generación. Quién sabe, tal vez pasen varias décadas más antes de que los avances científicos recientes hagan que el caso de negocio de la energía solar sea realmente convincente.

Un problema con argumentos de este tipo es que solo sopesan factores económicos y tecnológicos básicos y no tienen en cuenta los costos ambientales ocultos de cosas como los derrames de petróleo,la contaminación del aire, la destrucción de tierras por la minería del carbón o el cambio climático, y especialmente los costos futuros, que son difíciles o imposibles de predecir. Es perfectamente posible que el aumento de la conciencia de estos problemas acelere el cambio de los combustibles fósiles, incluso si no hay más avances tecnológicos; en otras palabras, puede llegar el momento en que ya no podamos permitirnos el lujo de posponer la adopción universal de las energías renovables. En última instancia, todos estos factores están interrelacionados. Con un liderazgo político convincente, el mundo podría comprometerse a una revolución solar mañana: la política podría forzar mejoras tecnológicas que cambien la economía de la energía solar.

Y la economía por sí sola podría ser suficiente. El ritmo de la tecnología, las innovaciones en la fabricación y las economías de escala siguen reduciendo el coste de las células y paneles solares. Solo entre 2008 y 2009, según Harrabin,analista ambiental de la BBC, los precios cayeron alrededor de un 30 por ciento, y el creciente dominio de China en la fabricación de energía solar ha seguido reduciéndolos desde entonces.Entre 2010 y 2016, el costo de la energía fotovoltaica a gran escala cayó entre un 10 y un 15 por ciento por año, según la Administración de Información de Energía de los Estados Unidos; en general, el precio de cambiar a la energía solar se ha desplomado en alrededor de un 90 por ciento en la última década, consolidando aún más el control de China en el mercado. Seis de los diez principales fabricantes de energía solar del mundo son ahora chinos; en 2016, alrededor de dos tercios de la nueva capacidad solar de Estados Unidos provenían de China, Malasia y Corea del Sur.

Foto: Las células solares no son la única forma de generar energía a partir de la luz solar,o incluso, necesariamente, la mejor manera. También podemos usar energía solar térmica (que absorbe el calor de la luz solar para calentar el agua de su hogar), solar pasiva (que diseña un edificio para absorber la luz solar) y colectores solares (que se muestran aquí). En esta versión, 16 espejos recogen la luz solar y la concentran en un motor Stirling(la caja gris a la derecha), que es un productor de energía extremadamente eficiente. Foto de Warren Gretz cortesía de NREL (id de imagen # 6323238).

ponerse rápido?

Se espera que el punto de inflexión para la energía solar llegue cuando pueda lograr algo llamado paridad de red, lo que significa que la electricidad generada por energía solar que usted mismo hace se convierte en una energía barata que compra de la red. Muchos países europeos esperan alcanzar este hito en 2020. La energía solar ciertamente ha registrado tasas de crecimiento muy impresionantes en los últimos años, pero es importante recordar que todavía representa solo una fracción del total de la energía mundial. En el Reino Unido, por ejemplo, la industria solar se jactó de un»logro histórico» en 2014, cuando casi duplicó la capacidad total instalada de los paneles solares de aproximadamente 2,8 GW a 5 GW. Pero eso todavía representa solo un par de grandes centrales eléctricas y, en una producción máxima, un mero 8 por ciento de la demanda total de electricidad del Reino Unido de aproximadamente 60 GW (si se tienen en cuenta cosas como la densidad, la reduciría a una fracción del 8 por ciento).

Según la Administración de Información de Energía de los Estados Unidos, en los Estados Unidos, donde se inventó la tecnología fotovoltaica, a partir de 2018, la energía solar representa solo el 1,6 por ciento de la generación total de electricidad del país.Eso es aproximadamente un 23 por ciento más que en 2017 (cuando la energía solar era del 1,3 por ciento), un 80 por ciento más que en 2016 (cuando la cifra era del 0,9 por ciento)y aproximadamente cuatro veces más que en 2014 (cuando la energía solar se situaba en solo el 0,4 por ciento).Aun así, sigue siendo 20 veces menos que el carbón y 40 veces menos que todos los combustibles fósiles. En otras palabras, incluso un aumento de 10 veces en la energía solar de EE.UU. no produciría mucho más de la mitad de electricidad que el carbón en la actualidad(10 × 1,6 = 16 por ciento, en comparación con el 27,4 por ciento del carbón en 2018). Cabe señalar que dos de las principales revisiones anuales de energía del mundo,la Revisión Estadística de Energía Mundial de BP y las Principales Estadísticas Mundiales de Energía de la Agencia Internacional de Energía, apenas mencionan la energía solar, excepto como nota al pie de página.

: La energía solar genera más electricidad cada año, pero todavía no se acerca tanto como el carbón. Este gráfico compara el porcentaje de electricidad generada en los Estados Unidos por solarpower (línea verde) y carbón (línea roja). La situación es mejor en algunos países y peor en otros.Dibujado por explainthatstuff.com uso de datos históricos y actuales de la Administración de Información de Energía de los Estados Unidos.

¿Cambiará eso pronto? Podría ser. De acuerdo con un artículo de 2016 de investigadores de la Universidad de Oxford,el costo de la energía solar está cayendo tan rápido que está en camino de proporcionar el 20 por ciento de las necesidades energéticas del mundo para 2027, lo que sería un cambio de paso desde donde estamos hoy,y una tasa de crecimiento mucho más rápida de lo que nadie ha pronosticado anteriormente. ¿Es posible que ese ritmo de crecimiento continúe? ¿Podría realmente la energía solar hacer una diferencia en el cambio climático antes de que sea demasiado tarde? Mire este espacio!

Breve historia de las células solares

• 1839: El físico francés Alexandre-Edmond Becquerel (padre del pionero de la radiactividad Henri Becquerel) descubre que algunos metales son fotoeléctricos: producen electricidad cuando se exponen a la luz.
• 1873: El ingeniero inglés Willoughby Smith descubre que el selenio es un fotoconductor particularmente eficaz (más tarde es utilizado por Chester Carlson en su invención de la fotocopiadora).
• 1905: El físico nacido en Alemania Albert Einstein descubre la física del efecto fotoeléctrico, un descubrimiento que finalmente le otorga un Premio Nobel.
• 1916: El físico estadounidense Robert Millikan prueba experimentalmente la teoría de Einstein.
• 1940: Russell Ohl de Bell Labs descubre accidentalmente que un semiconductor de unión dopado producirá una corriente eléctrica cuando se expone a la luz.
• 1954: Los investigadores de Bell Labs Daryl Chapin, Calvin Fuller y Gerald Pearson fabrican la primera célula solar de silicio fotovoltaica práctica, que es aproximadamente un 6 por ciento de eficiencia (una versión posterior maneja el 11 por ciento). Anuncian su invención, inicialmente llamada «batería solar», el 25 de abril.
• 1958: Los satélites espaciales Vanguard, Explorer y Sputnik comienzan a usar células solares.
• 1962: 3600 de las baterías solares Bell se utilizan para alimentar Telstar, el satélite de telecomunicaciones pionero.
• 1997: El gobierno federal de los Estados Unidos anuncia su iniciativa Millones de techos Solares, para construir un millón de techos alimentados por energía solar para 2010.
• 2002: La NASA lanza su avión solar Pathfinder Plus.
• 2009: Los científicos descubren que los cristales de perovskita tienen un gran potencial como materiales fotovoltaicos de tercera generación.
• 2014: Una colaboración entre científicos alemanes y franceses produce un nuevo récord de eficiencia del 46 por ciento para una célula solar de cuatro uniones.
• 2020: Se prevé que las células solares alcancen la paridad de red (la electricidad generada por energía solar que usted mismo haga será tan barata como la energía que compre de la red).
• 2020: Las células de perovskita y silicio prometen un gran aumento en la eficiencia solar.