Los módulos fotovoltaicos son dispositivos de estado sólido que convierten la luz solar, la fuente de energía más abundante en el planeta, directamente en electricidad sin la intervención de un motor de calor o rotación. Los equipo fotovoltaicos no tiene partes móviles y, como resultado de ello, requiere un mantenimiento mínimo y tiene una larga vida útil. Estos sistemas generan electricidad sin producir emisiones de efecto invernadero ni de otros gases, y su funcionamiento es prácticamente silencioso. Los sistemas fotovoltaicos se pueden construir en cualquier tamaño, desde milivatios a megavatios, y los sistemas son modulares, es decir más paneles pueden ser fácilmente añadidos para aumentar la producción. Las instalaciones fotovoltaicas son muy fiables y requieren muy poco mantenimiento. También se pueden configurar como sistemas independientes.
Hace unos 50 años la energía requerida para producir un panel fotovoltaico era mayor que la energía que podría producir el panel durante su vida útil. Sin embargo durante la última década, gracias a una importante mejora de la eficiencia de los paneles y de los métodos de fabricación, los tiempos de retorno se reducen a 3-5 años, dependiendo de la luz del sol disponible en el lugar de instalación.
Los costos de los sistemas fotovoltaicos pueden reducirse a través de varios caminos alternativos. Los sistemas basados en películas delgadas de materiales, tales como aleaciones de silicio amorfo, teluro de cadmio, o diseleniuro de indio con cobre, son particularmente prometedores porque ambas se adaptan bien a las técnicas de producción en masa y las cantidades de materiales activos que se requieren son pequeñas.
A pesar de su alto costo, los sistemas fotovoltaicos son rentables en muchas áreas que están alejados de las redes de servicios públicos, especialmente cuando el suministro de energía procedente de fuentes convencionales es impráctico o es costoso.
En el caso de los sistemas distribuidos conectados a la red, el valor real de la electricidad fotovoltaica también puede ser alto porque esta electricidad se produce durante los períodos de máxima demanda, reduciendo así la necesidad de contar con una costosa capacidad extra convencional para cubrir los picos de demanda. Además, la electricidad fotovoltaica se produce cerca de los lugares donde se consume, lo que reduce las pérdidas de transmisión y distribución y por lo tanto aumenta la fiabilidad del sistema.
Una célula fotovoltaica se compone de dos o más capas delgadas de material semiconductor, más comúnmente de silicio. Cuando el silicio se expone a la luz se generan cargas eléctricas, y esta puede ser conducida fuera a través de contactos de metal en forma de corriente directa. La salida eléctrica de una sola célula es pequeña, por lo que múltiples células son conectadas y encapsuladas (generalmente de vidrio cubierto) para formar un módulo (también llamado un panel solar fotovoltaico). El panel fotovoltaico es el elemento principal de un sistema fotovoltaico, y cualquier número de paneles pueden conectarse entre sí para obtener la salida eléctrica deseada. Esta estructura modular es una importante ventaja de los sistemas fotovoltaicos, donde paneles adicionales se puede añadir a un sistema existente según sea necesario.
Los dispositivos fotovoltaicos, o células, se utilizan para convertir la radiación solar directamente en electricidad. Las células fotovoltaicas están hechas de diferentes semiconductores, que son materiales que son sólo moderadamente buenos conductores de la electricidad. Los materiales más comúnmente utilizados son el silicio (Si) y compuestos de sulfuro de cadmio (CdS), sulfuro cuproso (Cu2S), y arseniuro de galio (GaAs). Estas células se empaquetan en módulos que producen un voltaje y corriente específicos cuando se los ilumina con la luz del sol.
Los módulos fotovoltaicos se pueden conectar tanto en serie como en paralelo para producir grandes voltajes o corrientes. Los sistemas fotovoltaicos dependen de la luz del sol, no tienen partes móviles, son modulares para satisfacer los requisitos de energía en cualquier escala, son fiables y tienen una larga vida. Los sistemas fotovoltaicos se pueden utilizar independientemente o en combinación con otras fuentes de energía eléctrica. Algunas aplicaciones comunes de los sistemas fotovoltaicos son las comunicaciones (tanto en la tierra y en el espacio), vigilancia a distancia, iluminación, bombeo de agua, y la carga de la baterías.
Semiconductores
Para entender el efecto fotovoltaico, se debe tener una noción básica de la teoría de los semiconductores y de su uso como dispositivos de conversión de energía fotovoltaica, así como también información sobre las uniones P-N. Es por ello que a continuación haremos un repaso rápido por dichos temas.
Los átomos están compuestos por el núcleo y electrones que giran alrededor del núcleo. Según la mecánica cuántica, los electrones de un átomo aislado sólo puede tener determinados niveles de energía discretos o cuantizados. En los elementos que tienen electrones en orbitales múltiples, los electrones más interiores tienen la energía mínima (máximo negativo) y por lo tanto requieren una gran cantidad de energía para superar la atracción del núcleo y quedar libres. Cuando los átomos se acercan, la energía electrónica de individual de los los átomos se altera y los niveles de energía se agrupan en bandas de energía. En algunas bandas de energía, se permite la existencia los electrones, mientras que en otras bandas no se permiten electrones. Los electrones de la capa más externa son los únicos que interactúan con otros átomos. Esta normalmente es la banda más llena, la que corresponde al estado fundamental de los electrones de valencia de un átomo y se llama la banda de valencia. Los electrones en la banda de valencia están débilmente unidos al núcleo del átomo y, por tanto, puede unirse más fácilmente a un átomo vecino, dando a ese átomo una carga negativa y dejando al átomo original como un ion de carga positiva. Algunos electrones en la banda de valencia puede poseer una gran cantidad de energía, lo que les permite saltar a una banda más alta. Estos electrones son los responsables de la conducción de la electricidad y del calor, y es por esto que a esta banda se denomina banda de conducción. La diferencia en la energía de un electrón en la banda de valencia y la capa más interna de la banda de conducción se llama banda prohibida.
Una representación esquemática de los diagramas de energía de la banda de tres tipos de materiales se muestra en la siguiente figura.
Los materiales cuya banda de valencia está llena y su banda de conducción está vacía tienen bandas prohibidas muy altas y se llaman aislantes, porque la corriente no puede ser transportada por los electrones en la banda completa y la diferencia de energía es tan grande que, en circunstancias normales, un electrón de valencia no puede aceptar energía puesto que los estados vacíos en la banda de conducción son inaccesibles a la misma. La banda prohibida en estos materiales es mayor que 3 eV.
Los materiales que tienen bandas de valencia relativamente vacías y que puede tener algunos electrones en la banda de conducción se denominan conductores. En este caso, las bandas de valencia y conducción se superponen. Los electrones de valencia son capaces de aceptar la energía de un campo externo y pasar a un estado desocupado permitido en los niveles de energía ligeramente más altos dentro de la misma banda. Los metales entran en esta categoría, y los electrones de valencia en un metal pueden ser fácilmente emitidos fuera de la estructura atómica y ser liberados para conducir electricidad.
Los materiales con bandas de valencia parcialmente llenos tienen banda prohibidas intermedias y se los llama semiconductores. La banda prohibida en estos materiales es menor que 3 eV. Ellos tienen la estructura misma banda que los materiales aislantes pero su brecha de energía es mucho más estrecha.
Hay dos tipos de conductores. Los semiconductores puros, llamados semiconductores intrínsecos, y aquellos dopados con pequeñas cantidades de impurezas, llamados semiconductores extrínsecos. En los semiconductores intrínsecos, los electrones de valencia pueden ser fácilmente excitados por medios térmicos u ópticos y saltar la brecha de energía más estrecha a la banda de conducción, donde los electrones no tienen enlace atómico y por lo tanto son capaces de moverse libremente por el cristal.
Unión P-N
En los semiconductores si el material dopado tiene más electrones en la banda de valencia que el semiconductor, el material de dopado se denomina un semiconductor tipo n. El semiconductor tipo n es electrónicamente neutro pero tiene un exceso de electrones, que están disponibles para la conducción. El silicio (Si) pertenece al grupo 4 de la tabla periódica de los elementos. En este caso un semiconductor tipo N se obtiene cuando los átomos del Si se sustituyen con elementos del grupo 5 de la tabla periódica, tales como el arsénico (As) o antimonio (Sb), y al hacerlo, forman electrones que pueden moverse alrededor del cristal. Si estos electrones en exceso se eliminan, los átomos se quedarán con cargas positivas. En los semiconductores, si el material que se dopa tiene un menor número de electrones en la banda de valencia que el semiconductor, el material de dopado se denomina un semiconductor de tipo P.
El semiconductor de tipo P es electrónicamente neutro pero tiene huecos positivos (electrones perdidos) en su estructura que pueden acomodar un exceso de electrones. Este tipo de material se obtiene cuando los átomos de Si se sustituyen con elementos del grupo 3 de la tabla periódica, tales como galio (Ga) o indio (In), y al hacerlo, forman partículas positivas, llamadas huecos, que pueden moverse alrededor del cristal por de difusión. Si electrones adicionales llenaran los huecos, los átomos de la impureza encajarían más uniformemente en la estructura formada por los átomos de principal semiconductores, pero los átomos se cargarían negativamente.
Para el silicio la energía necesaria para obtener un electrón a través de una unión PN es de 1,11 eV. Esto es diferente para cada material semiconductor.
Todo lo descripto anteriormente se produce cuando los semiconductores tipo-P y tipo-N se unen entre sí, es decir, formar una unión. Cuando los dos materiales se unen, el exceso de electrones desde el salto del tipo-N para llenar los huecos en el tipo-P, y los huecos del tipo-P se difunden hacia el lado del tipo-N, dejando el lado N de la unión con carga positiva y el lado P cargado negativamente. Las cargas negativas de la parte P restringir los movimientos de los electrones adicionales del lado N, sin embargo, el movimiento de los electrones adicionales en el lado P es más fácil debido a las cargas positivas en la unión en el lado N. Por lo tanto la unión P-N se comporta como un diodo.
En el semiconductor tipo N, debido a que las impurezas dopadas donan electrones adicionales para la conducción de corriente, se las denomina donantes y su nivel de energía se denomina nivel donante. El nivel donante se encuentra dentro de la banda prohibida. En el semiconductor tipo P, la impureza dopada acepta electrones adicionales, por lo que se llaman aceptores y su nivel de energía se denomina el nivel aceptor. El nivel aceptor está localizado en la banda prohibida.
Efecto fotovoltaico
Cuando un fotón entra en un material fotovoltaico, este puede ser reflejado, absorbido o transmitido a través del material. Cuando este fotón es absorbido por un electrón de valencia de un átomo, la energía del electrón se incrementa por la cantidad de energía del fotón. Ahora, si la energía del fotón es mayor que la banda prohibida del semiconductor, el electrón, que tiene un exceso de energía, saltará a la banda de conducción, donde se puede mover libremente. Por lo tanto, cuando el fotón es absorbido, un electrón se suelta del átomo. El electrón puede ser eliminado por un campo eléctrico a través de la parte delantera o trasera del material fotovoltaico, y esto se consigue con la ayuda de una unión P-N.
En ausencia de un campo, el electrón se recombina con el átomo; mientras que si hay un campo el átomo fluye a través de él, creando una corriente. Si la energía del fotón es menor que la de la banda prohibida, el electrón no tiene energía suficiente para saltar a la banda de conducción, y el exceso de energía se convierte en energía cinética de los electrones, lo que produce un aumento de temperatura. Cabe señalar que, independientemente de la intensidad de la energía del fotón con relación energía de la banda prohibida, sólo un electrón puede ser liberado. Esta es la razón de la baja eficiencia de las células fotovoltaicas.
Estas células solares contienen una unión de un semiconductor tipo P y tipo N, es decir, una unión P-N. En cierta medida, los electrones y los huecos se difunden a través del límite de esta unión, creando un campo eléctrico a través de ella. Los electrones libres son generados en la capa N por la acción de los fotones. Cuando los fotones de la luz del sol chocan con la superficie de una célula solar y son absorbidos por el semiconductor, algunos de ellos crear pares de electrones y huecos. Si estos pares están lo suficientemente cerca de la unión P-N, su campo eléctrico provoca que las cargas se separen, electrones moviéndose hacia el lado de tipo N, y los huecos hacia el lado de tipo P. Si los dos lados de la célula solar están conectados a través de una carga, una corriente eléctrica fluirá mientras la luz del sol incida sobre la célula.
El espesor de la capa tipo N de una célula de silicio cristalino típica es de aproximadamente 0,5 µm, mientras que el de la capa de tipo p es de aproximadamente 0,25 mm.
La velocidad de la radiación electromagnética está dada por la ecuación.
La energía contenida en un fotón, Ef, está dada por
Ep = hv
donde
h = la constante de Planck, 6,625 10-34 J-s.
v = frecuencia (s-1).
La combinación de la ecuación. con, obtenemos
Ep = hC / λ
El silicio tiene una banda prohibida de 1.11 eV (1 eV 1,6 10-19 J), por lo tanto, mediante el uso de la ecuación se puede encontrar que los fotones con longitud de onda de 1,12 µm o menos son útiles para la creación de pares electrón-hueco, y por tanto, electricidad. Esto significa que la mayoría de la radiación solar se puede usar eficazmente para generar electricidad por efecto fotovoltaico. El número de fotones, np, incidente sobre una célula puede ser estimada a partir de la intensidad de la luz, Ip:
np = Ip / Ep
Una célula fotovoltaica está compuesta del material activo fotovoltaico, rejillas metálicas, recubrimientos antirreflectantes y material de soporte. La célula completa está optimizada para maximizar tanto la cantidad de luz solar que entra en la célula y la potencia de salida de la célula. Las rejillas metálicas mejorar la captación de corriente desde la parte delantera y trasera de la célula solar. El recubrimiento antirreflectante se aplica a la parte superior de la celda para maximizar la luz que entra en la célula. En general este revestimiento es una sola capa optimizada para la luz del sol. Como resultado, las células fotovoltaicas variar en color de negro a azul. En algunos tipos de células fotovoltaicas, la parte superior de la celda está cubierta por un conductor semitransparente que funciona como colector de corriente y como recubrimiento antirreflectante. Una célula fotovoltaica completa es un dispositivo de dos terminales con cables positivo y negativo.
Si bien el silicio es un elemento químico abundante que cubre el 25% de la corteza terrestre y los minerales de silicio son baratos, las células de silicio deben ser fabricadas individualmente mediante un proceso largo y complicado, que incluye la purificación del silicio, obtención de un cristal largo de una masa fundida a alta temperatura, cortando del cristal en obleas, la difusión de impurezas en las obleas, y aplicación de diversos revestimientos y conductores eléctricos. En realidad el trabajo representa casi la totalidad del coste de una célula de silicio.
Un generador fotovoltaico PV es fundamentalmente un conjunto de células solares, conexiones, elementos de protección y apoyo. Las células solares están hechas de materiales semiconductores, normalmente silicio, y están especialmente tratadas para formar un campo eléctrico positivo en el lado posterior y negativo en lado expuesto al sol.
Cuando la energía solar (fotones) llega a la célula solar, los electrones son golpeados y liberados de los átomos del material semiconductor, creando pares electrón-hueco. Si se unen conductores eléctricos a los lados positivos y negativos, formando un circuito eléctrico, los electrones son capturados en forma de corriente eléctrica, llamada fotocorriente, IPH. Como podrán comprender a partir de esta descripción, en la oscuridad la célula solar no está activa y funciona como un diodo, es decir, una unión PN que no produce ninguna corriente o voltage. Sin embargo, si se la conecta a una fuente de alimentación externa de alto voltaje se genera una corriente llamada diodo o corriente oscura, ID. Una célula solar es representada generalmente por el modelo del equivalente eléctrico de un diodo. Este circuito puede ser utilizado tanto para representar una celda individual, como un módulo que consta de un número de células, o un arreglo formado por varios módulos.