Células solares. ¿Energía actual o de futuro? 1

La energía más prometedora

En la actualidad, el mundo consume una gran cantidad de energía eléctrica y la tendencia es que crezca la demanda en el futuro. La automatización de los sistemas y el desarrollo de las TIC (Tecnologías de la Información y las Comunicaciones) implica un consumo de energía, tanto a nivel industrial como doméstico, que tiende al alza.

Por esta razón es importante mejorar y descubrir formas de producir energía ya que no podemos almacenarla. Mientras sigamos sin controlar la energía de fusión, parece que las mejores fuentes son las naturales, pero la valoración producción-desventajas aún no esta clara debido al posible impacto en los diferentes ecosistemas.

Una de estas energías naturales, que sobre el papel debería de ser la más rentable, es la energía solar, fotoeléctrica o fotovoltáica, recogida a través de células solares. El Sol es en la actualidad una fuente inagotable de energía que solo en los muy oscuros días de lluvia debería de no ser útil. Es más, al desarrollar esta tecnología para la tierra, también estaríamos dotando de capacidad energética a todos los experimentos espaciales, ya que la luz de las estrellas llega a todas partes. Pero en realidad no es tan fácil como parece.

La eficiencia de las células actuales, generalmente de silicio ronda el 7-10% de eficiencia energética. Aunque se está empezando a producir industrialmente células de galio que tienen un porcentaje mayor de eficiencia, más de la mitad de la energía solar se pierde. Esto se traduce en la necesidad de grandes paneles solares para obtener poca energía y no mucha rentabilidad dado que un día nublado hace que la instalación no produzca energía.

Para entender la dificultad de transformar la energía solar en energía útil primero debemos conocer como funcionan las células solares. Estas están basadas en el efecto fotoeléctrico, produciendo electricidad al incidir la radiación solar en el metal. Suelen estar compuestas de silicio, y aunque en la actualidad hay varios tipos de células, todas funcionan de la misma manera.

Gracias al efecto fotoeléctrico, los electrones de valencia de los metales semiconductores pueden llegar a la banda de conducción para crear flujo eléctrico. El electrón que se desplaza deja un «hueco» que puede ser ocupado por otro electrón. A estos huecos se les denomina p⁺ y podemos definir la corriente eléctrica como conducción de electrones, negativa, o de huecos, positiva. Si en una lámina de metal sustituimos algunos átomos por otros elementos con mayor o menor valencia, alteramos la carga neta de la lámina añadiendo electrones, dopado tipo N, o huecos, tipo P. Si unimos dos láminas de diferente signo, se creará un flujo controlado de electrones por la unión de las láminas. A este tipo de uniones se les llama unión PN^[1] y componen los diodos. También podemos unir capas alternas en uniones NPN y PNP. El juego de uniones N y P es la base de la microelectrónica moderna.

La célula solar está compuesta por láminas de materiales semiconductores dopados N y P para formar un diodo. El material más común, por ser el más usado en electrónica de circuitos, es el cristal de silicio dopado con fósforo en N y con boro para P. Suele fabricarse mediante el método Czochralski para la producción de cilindros de silicio cortados en obleas de 13-30 cm de radio y 250-350 micrómetros de espesor. También se fabrican células con policristal de silicio formado con los restos de la fabricación de obleas y por lo tanto más barato, o de arseniuro de galio, GaAs, hasta el momento las más eficientes a falta de poner en uso la perovskita (mineral cristalino de trióxido de titanio y de calcio (CaTiO3)).

La unión PN se encuentra en reposo en equilibrio, pero los electrones de valencia excitados por el efecto fotoeléctrico hacen que se produzcan corrientes de conducción en la unión, generando electricidad. Es importante que la Zona de Carga Espacial, ZCE, que es donde se produce la corriente de unión, esté lo más cerca posible de la zona de influencia de la radiación solar para que los electrones que se impulsan en contra del campo de la ZCE sean máximos.

Característica de las células solares (enerpoint)

Como en todos los materiales semiconductores, la dependencia de la corriente con la temperatura es muy alta. Las  células solares son sensibles tanto a los cambios de temperatura externa como a los internos producidos por calentamiento y efecto Joule. Las propiedades eléctricas de las células solares se recogen en las características de la unión PN que dependen de la temperatura, la radiación solar y el área de de la célula. Estas características se obtienen mediante la medición de la potencia y la corriente de la célula a una temperatura y una radiación dadas. Para cada par I-V, se obtiene un punto de potencia máxima que es donde se obtiene la máxima eficiencia de la célula.

Las razones por las que las células solares no son eficientes son varias. Por un lado nos encontramos con que parte de la radiación solar incidente es repelida por la reflexión de la propia célula al ser cristalina. Además la radiación que si que penetra en la célula tiene una potencia variable que no podemos controlar. Si la potencia es muy alta, los pares electrón-hueco disipan demasiada energía. Si es baja, la energía suministrada a los electrones no es suficiente para que se rompan los enlaces y se genere corriente. Por lo tanto, es igual de malo un día nublado como un día muy soleado.

Otra de las formas de pérdida de eficiencia es que los nuevos pares de electrones y huecos se encuentren por el camino con otras cargas y se recombinen con ellas. Además, existen impurezas en las placas o las zonas de conducción que hacen que la energía se pierda.

Desde que en 1953 Calvin Fuller, Gerald Pearson y Daryl Chapin fabricaron la primera célula solar de silicio con una eficiencia del 1% el sistema de obtención de energía no ha variado. Los esfuerzos para mejorar las células se han centrado en obtener células más eficientes y rentables. Se ha experimentado con diferentes materiales y se ha llegado a obtener eficiencias en laboratorio cercanas al 50% por multiunión de células de silicio.

En los próximos años, mediante la experimentación con nanotecnología y con nuevos materiales se espera llegar a eficiencias del 80% con costos asequibles para la implantación a gran escala. Pero esto sigue siendo una esperanza. En la actualidad, incluso en el espacio, la eficiencia es pequeña frente al coste y las dimensiones de las instalaciones, por lo que a día de hoy, la energía solar no parece que sea la opción más rentable, aunque si que tiene un futuro prometedor.

Más información:

1. Unión PN: Cuando se unen dos láminas, dopadas contrarias, los electrones y los huecos de las zonas cercanas se atrae mutuamente para recombinarse entorno a la zona de unión. Esta zona donde se unen las cargas se llama Zona de Carga Espacial (ZCE) y en ella se produce un flujo de corriente mientras que la carga neta será nula mientras que el resto de la placa pasa a tener carga. Estas cargas crean un campo eléctrico que desplaza los electrones de N en sentido opuesto a la corriente generando una barrera de potencial interna.A este tipo de unión se le denomina diodo y a la barrera es la diferencia de potencial característica V₀. Un diodo en reposo tiene un potencial contrario a la carga y de valor V₀. Si queremos que la corriente lo atraviese, debemos suministrar un potencial mayor que V₀. Los valores típicos son entorno a 0,7V que es el caso del diodo de silicio.
   Si añadimos corriente con sentido de P a N, polarización directa, introducimos electrones  en N, aumentando el número de portadores mayoritarios y mediante repulsión electromagnética los lanzamos a la ZCE para que puedan traspasar la barrera. La ZCE se estrecha y los huecos del otro lado atraen más electrones. En este caso se produce conducción neta a través de diodo.
   Si por contra la polarización es inversa, de N a P, los electrones inyectados en P «rellenan» los huecos haciendo que la ZCE se ensanche y el potencial V₀ aumente. En este caso el diodo funciona como aislante.
   

   Diodo. Unión PN y sentido de las corrientes.

Referencias:

• Apuntes de la carrera de Físicas
• http://www.enerpoint.es
• http://www.areatecnologia.com
• http://www.physics.org
• https://solar-energia.net