Cuando pensamos en la energía solar en estos días, con mayor frecuencia pensamos en paneles solares que se colocan en los tejados o en grandes campos con acres y acres de paneles solares que generan electricidad para la red eléctrica.
Este artículo trata sobre los materiales de las células solares.
Rebanadas delgadas de silicio con materiales dopantes aplicados en la parte superior e inferior hacen que un lado sea un semiconductor tipo ny el otro un semiconductor tipo p.
El material de tipo n tendrá un electrón disponible en su capa exterior y el de tipo p tendrá uno menos.
Cuando la luz del sol golpea una superficie, excita los electrones y hace que se muevan un poco.
Si la superficie es blanca, reflejará la luz y no le pasará mucho al material.
Pero si la superficie es negra, puede absorber todo el espectro de luz y la superficie se calienta, pero eso es todo lo que sucede.
Si el material es un semiconductor donde un lado tiene electrones en exceso y cerca hay un área donde hay pocos electrones, los electrones querrán moverse en esa dirección.
Si se conecta un cable desde el lado positivo hacia el lado negativo, el circuito está completo y los electrones pueden fluir hacia atrás y continuar alrededor del circuito.
Cuando eso suceda, ¡habremos producido electricidad!
El sol empuja los electrones continuamente a través del circuito como una bomba empuja el agua a través de una tubería.
El silicio se ha utilizado para fabricar células solares (o, más específicamente, células fotovoltaicas (PV)) desde que Bell Labs las patentó en 1954.
El descubrimiento real del efecto fotovoltaico se remonta mucho más atrás a un físico francés Edmond Becquerel, quien lo descubrió en 1839.
Por supuesto, la evolución de la célula solar requirió más esfuerzo que eso. En la línea de tiempo de los materiales de las células solares, Willoughby Smith en 1873, un ingeniero eléctrico inglés, descubrió que el selenio podía funcionar como fotoconductor.
Más tarde, Williams Adams y Richard Day demostraron en un experimento que se podía utilizar un material sólido para crear el efecto fotovoltaico y generar electricidad sin calor ni partes móviles.
Luego, en 1883, Charles Fritz, un inventor estadounidense, creó la primera celda solar de selenio en funcionamiento.
Las células solares de selenio no eran tan eficientes.
Fue necesario el artículo de Albert Einstein en 1905 para explicar cómo funcionaba el efecto fotovoltaico.
Bell Labs finalmente encontró los materiales de las células solares que funcionaron lo suficientemente bien como para que fueran útiles en 1954.
Aunque el silicio se ha convertido en el material de células solares principal utilizado en la producción de la gran mayoría de la energía solar que se utiliza en la actualidad, no es necesariamente el mejor para muchas aplicaciones.
Tiene muchos desafíos: es frágil, pesado, grande, voluminoso, caro, poco atractivo, requiere recursos considerables para fabricar y necesita grandes áreas para implementar.
Los primeros paneles solares de alta producción fueron células solares monocristalinas.
El monocristalino se refiere a un solo (y enorme) cristal de silicio cortado en rodajas finas.
El silicio se procesa hasta que es puro dentro de una parte por mil millones.
El proceso generalmente incluye calentarlo y enfriarlo lentamente para vaporizar y expulsar los contaminantes.
Al calentar el silicio puro hasta justo por encima del punto de fusión, se baja una varilla de semillas al silicio fundido y se gira lentamente mientras se extrae.
El Southwest Center for Microsystems Education (SCME) proporcionó un video emocionante que demuestra la creación de una única bola de cristal de silicio (lingote), Crystal Silicon Ingot Formation.
El video de 2 minutos comienza con una animación del proceso y luego un clip de película de la formación del cristal y finalmente cortando el cristal en rodajas finas.
Mire este video de 4 minutos para obtener más detalles sobre la producción de obleas de silicio en www.microchemicals.eu.
Se agrega material de dopaje a cada lado de la oblea para hacer un lado tipo n y el otro tipo p.
Pintar una serie de tiras de plata delgadas en el lado tipo ny agregar una hoja conductora de aluminio o sustrato en el lado tipo p completa la celda.
Un vidrio u otro material transparente cubre el lado solar de las celdas (tipo n) y el cableado y los conectores completan el circuito.
Las celdas de este panel son casi negras.
Los paneles solares monocristalinos son frecuentes en el mercado.
Son altos en la escala de eficiencia, pero el costo también es alto.
El monocristal es caro de fabricar y comienza como discos redondos.
Las obleas deben cortarse varias veces para hacerlas rectangulares para un uso más efectivo del área del panel y obtener la mejor eficiencia por panel.
Eso crea una gran cantidad de material de desecho y cuesta mucho fabricarlo.
Hacer paneles solares policristalinos es similar, excepto que el silicio se purifica, luego se vierte en lingotes grandes y se corta a medida sin pasar por tanto proceso y sin producir tanta chatarra.
Estos paneles son azules y la formación cristalina es uniforme pero utiliza muchos cristales más pequeños.
Si desea ver todo el proceso de fabricación de los paneles policristalinos, mire este video de 13 minutos de Fabricación Solar Modular de GP Solar.
Amorphous Silicon fabrica el tercer panel solar basado principalmente en silicio del mercado.
Pertenece a la clase de tecnologías de película fina, de la que me ocuparé más adelante.
La célula solar de película delgada se puede producir en masa directamente sobre una lámina de plástico de 1000 pies de largo.
Primero se aplica el contacto del metal posterior, seguido de unas seis capas de materiales de células solares, incluido el silicio amorfo y el silicio semiconductor que forman la célula real.
La instalación de una capa conductora transparente superior completa las capas de células.
Eso es esencialmente una celda solar sustancial de 1000 pies.
Las hojas largas se procesan luego para hacer celdas individuales y se vuelven a construir en paneles de varios tamaños según la necesidad del producto.
Estos paneles tienen una variedad más amplia de aplicaciones que los paneles monocristalinos y policristalinos.
El proceso de fabricación es mucho más sencillo, por lo que los costes son mucho menores.
La eficiencia disminuyó y la esperanza de vida disminuyó porque los productos se exponen más a entornos más difíciles.
Lo siguiente en escena en las tecnologías de película delgada fueron las células solares de telururo de cadmio que introdujeron nuevos materiales de células solares.
Un método utiliza un sustrato de vidrio para la capa inferior, luego materiales de células solares que incluyen una capa conductora transparente y una capa de sulfuro de cadmio para crear el semiconductor de tipo n y otra capa de telururo de cadmio para formar la capa de tipo p.
El resto del proceso de la celda utiliza la misma tecnología que se mencionó anteriormente.
Para obtener una gran explicación del proceso de fabricación de las células solares de telururo de cadmio, vea este video de First Solar’s Modular Manufacturing Process de un poco más de 4 minutos.
El telururo de cadmio, las eficiencias de las células solares, son casi iguales a las de las células policristalinas.
El costo de fabricación es menor.
Aún así, presentan nuevos desafíos al proceso.
El cadmio es un elemento muy tóxico pero abundante.
El telurio es raro.
Existen preocupaciones ambientales, pero parece que existen pasos para que el proceso de fabricación sea seguro.
Los paneles solares suelen tener una vida útil más corta y es esencial reciclar tanto el cadmio como el telururo.
¿Los propietarios de paneles de telururo de cadmio reciclarán adecuadamente sus paneles solares al final de la vida útil del producto?
Las siguientes en escena son las células solares de cobre, indio, galio, selenuro.
Conocidas como las células solares CIGS, introducen aún más nuevos materiales de células solares.
Los materiales de las células solares incluyen una capa conductora colocada sobre el sustrato, luego material semiconductor CIGS y una capa conductora transparente de sulfuro de cadmio (CdS), luego una capa transparente de óxido de zinc (ZnO) y una capa antirreflectante de fluoruro de magnesio (MgF2) .
Algunas aplicaciones eliminan la capa de CdS para obtener un producto terminado sin cadmio.
Si bien CIGS es actualmente una de las células solares de película delgada más eficientes del mercado (22,9% de eficiencia en el laboratorio), el costo de producción y el precio para el usuario final son altos.
Las OPV son una clase de células solares que utilizan materiales orgánicos para formar los semiconductores utilizados en las células fotovoltaicas.
Este tipo de célula introduce nuevos materiales de células solares con la introducción de polímeros orgánicos.
Eso no quiere decir que pequeños organismos vivan en las células OPV que convierten la luz solar en electricidad.
Lo que significa es que los polímeros orgánicos están formados por elementos químicamente orgánicos, por lo general, carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, halógenos y, a veces, azufre y fósforo.
Los polímeros orgánicos forman el semiconductor entre dos electrodos metálicos (generalmente un óxido de indio y estaño transparente (ITO) y una aleación de aluminio-magnesio y calcio) para los nuevos materiales de las células solares.
Las OPV tienen muchos usos porque hay muchos absorbentes o semiconductores de polímeros orgánicos disponibles para su uso, así como su flexibilidad y su costo de producción relativamente bajo.
Las OPV fabrican energía fotovoltaica integrada en el edificio que permite a los edificios producir la electricidad que necesitan y proporcionan atractivos esquemas de color.
Los OPV experimentan una baja eficiencia (11%) y una vida útil corta en comparación con los paneles basados en silicio.
Sobre el tema de la eficiencia, Science Magazine publicó recientemente un artículo que indicaba que un equipo en China produce OPV utilizando un método de diseño en tándem que proporciona una eficiencia de 17.3% de eficiencia.
Las OPV están comenzando a verse mejor debido a esto.
Para ver más sobre el uso de OPV, vea este video de 5 minutos sobre células solares orgánicas.
Se han publicado resultados para células de perovskita con eficiencias probadas en laboratorio al 23,7% y al 28% para las células de perovskita en tándem.
Los fabricantes imprimen las células solares utilizando materiales de tinta para una producción de bajo costo, y el material absorberá todo el espectro visible de luz.
Las eficiencias son altas y los costos bajos.
El material semiconductor de perovskita es típicamente un trihaluro de metilamonio y plomo (CH3NH3PbBr3). Los fabricantes suelen sustituir el bromo por yodo o cloro.
La arquitectura es relativamente simple.
Imagine una capa conductora transparente de tipo n recubierta con un material de perovskita y cubierta por una capa conductora de tipo p.
Vea el video de TEDx Talks sobre células de perovskita.
Si desea profundizar en las tecnologías fotovoltaicas, eche un vistazo a estos cursos gratuitos en línea de Mark Lundstrom de Purdue.
Otros tipos de células que no introducen nuevos materiales de células solares pero utilizan diferentes formas de implementar el mismo tipo de células solares con mayor eficiencia o menores costos generales.
Mire la tabla Best Research-Cell Efficiencies publicada por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) en Golden, Colorado, EE. UU.
Puede ver las últimas tecnologías solares probadas en su laboratorio.
El dispositivo semiconductor de cuatro uniones con un concentrador es el más alto en su gráfico y es probable que permanezca allí.
Este dispositivo semiconductor es esencialmente un semiconductor compuesto.
Múltiples células solares basadas en silicio se combinan y sintonizan con una gama de longitudes de onda de luz para permitir un mejor uso de todo el espectro de luz.
Un concentrador, que puede ser tan simple como una lupa o un espejo, concentra la luz en el objetivo de la célula solar.