Célula solar

Una célula solar, también conocida como célula fotovoltaica ( célula PV ), es un dispositivo electrónico que convierte la energía de la luz directamente en electricidad mediante el efecto fotovoltaico . ^{[ 1 ]} Es un tipo de célula fotoeléctrica, un dispositivo cuyas características eléctricas (como la corriente , el voltaje o la resistencia ) varían cuando se expone a la luz. Los dispositivos de células solares individuales suelen ser los componentes eléctricos básicos de los módulos fotovoltaicos , conocidos coloquialmente como "paneles solares". Casi todas las células PV comerciales están compuestas de silicio cristalino , con una cuota de mercado del 95 %. Las células solares de película delgada de telururo de cadmio representan el resto. ^[²^] La célula solar de silicio de unión simple común puede producir un voltaje máximo de circuito abierto de aproximadamente 0,5 a 0,6 voltios . ^[³^]

Las células fotovoltaicas pueden funcionar con luz solar o artificial. Además de producir energía solar , pueden utilizarse como fotodetectores (por ejemplo, detectores infrarrojos ) para detectar luz u otra radiación electromagnética cercana al rango de luz visible, así como para medir la intensidad de la luz.

El funcionamiento de una célula fotovoltaica requiere tres atributos básicos:

La absorción de luz, que genera excitones ( pares electrón - hueco ligados ), pares electrón-hueco no ligados (a través de excitones) o plasmones .
La separación de portadores de carga de tipos opuestos.
La extracción separada de esos portadores a un circuito externo.

Hay múltiples factores de entrada que afectan la potencia de salida de las células solares, como la temperatura , las propiedades del material, las condiciones climáticas, la irradiancia solar y más. ^{[ 4 ]}

Un tipo similar de "celda fotoelectrolítica" ( celda fotoelectroquímica ) puede referirse a dispositivos

utilizando luz para excitar electrones que luego pueden ser transportados por un semiconductor que suministra la energía (como el explorado por Edmond Becquerel e implementado en las modernas células solares sensibilizadas por colorantes ).
utilizando la luz para separar el agua directamente en hidrógeno y oxígeno , que luego pueden utilizarse en la generación de energía.

A diferencia de generar energía directamente, un colector solar térmico absorbe la luz solar para producir energía.

calor directo como un "módulo solar térmico" o "panel solar de agua caliente"
Calor indirecto que se utilizará para hacer girar las turbinas en la generación de energía eléctrica .

Los conjuntos de células solares se utilizan para fabricar módulos solares que generan una cantidad útil de corriente continua (CC) a partir de la luz solar . Las cadenas de módulos solares forman un panel solar para generar energía solar , utilizando a menudo un inversor para convertirla en corriente alterna (CA).

Aplicaciones

Aplicaciones vehiculares

Los vehículos eléctricos que funcionan con energía solar o luz del sol se conocen comúnmente como coches solares. ^{[ 5 ]} Estos vehículos utilizan paneles solares para convertir la luz absorbida en energía eléctrica que utilizan los motores eléctricos, y cualquier exceso de energía se almacena en baterías . ^{[ 6 ]} Las baterías de los vehículos solares se diferencian de las baterías de arranque de los coches con motor de combustión interna estándar porque están diseñadas para suministrar energía a los componentes eléctricos del vehículo durante largos periodos. ^{[ 7 ]}

La primera aplicación de células fotovoltaicas en vehículos se remonta a mediados de la segunda mitad del siglo XX. Con el fin de aumentar la difusión y la concienciación sobre el transporte solar, Hans Tholstrup decidió organizar la primera edición del World Solar Challenge en 1987. Se trató de una carrera de 3000 km a través del interior de Australia, a la que se invitó a competir a representantes de grupos de investigación de la industria y de las mejores universidades del mundo. General Motors se alzó con la victoria por un amplio margen gracias a su vehículo Sunraycer , que alcanzó velocidades superiores a los 64 km/h. Contrariamente a la creencia popular, los coches solares son uno de los vehículos de energía alternativa más antiguos. ^[⁸^]

Celdas, módulos, paneles y sistemas

Un conjunto de varias células solares integradas, todas orientadas en un mismo plano, constituyen un panel o módulo fotovoltaico . Los módulos fotovoltaicos suelen tener una lámina de vidrio en la cara que da al sol, lo que permite el paso de la luz a la vez que protege las obleas semiconductoras . Las células solares conectadas en serie generan un voltaje aditivo mayor, mientras que las conectadas en paralelo producen una corriente aditivo mayor.

Las celdas paralelas sin diodos de derivación o de shunt que experimentan sombra pueden apagar la cadena paralela más débil (menos iluminada) (cada cadena es un conjunto de celdas conectadas en serie), lo que provoca una pérdida de potencia sustancial y posibles daños debido a la polarización inversa aplicada a las celdas sombreadas por sus compañeras iluminadas. ^{[ 9 ]}

Los módulos solares se pueden interconectar para crear un conjunto con un voltaje CC máximo y una capacidad de corriente de carga deseados. Esta funcionalidad también se puede lograr con otros dispositivos solares que hacen más que simplemente generar los voltajes y corrientes deseados, como los seguidores del punto de máxima potencia (MPPT ) o las unidades de electrónica de potencia a nivel de módulo (MLPE): microinversores u optimizadores CC-CC .

Varias células solares ensambladas en un solo plano forman un panel o módulo solar fotovoltaico (FV). Estos módulos suelen tener una lámina de vidrio en la cara que da al sol, la cual permite el paso de la luz solar a la vez que protege las obleas semiconductoras de los factores ambientales. Conectar las células solares en serie aumenta la tensión de salida, mientras que las conexiones en paralelo mejoran la corriente de salida. ^{[ 10 ]}

Los módulos solares suelen estar equipados con diodos de derivación que aíslan las celdas sombreadas, impidiendo que afecten al rendimiento de toda la cadena. Estos diodos permiten que la corriente evite las celdas sombreadas o de bajo rendimiento, minimizando así la pérdida de potencia y reduciendo el riesgo de daños. ^{[ 11 ]}

Para 2020, el costo por vatio en Estados Unidos para un sistema a escala de servicios públicos había disminuido a $0,94. ^{[ 14 ]}

Espacio

Las células solares se utilizaron por primera vez en una aplicación destacada cuando se propusieron e instalaron en el satélite Vanguard en 1958, como fuente de energía alternativa a la batería principal . Al añadir células en la parte exterior del cuerpo, se pudo extender el tiempo de misión sin realizar cambios importantes en la nave espacial ni en sus sistemas de energía. En 1959, Estados Unidos lanzó el Explorer 6 , que contaba con grandes paneles solares en forma de ala, una característica que se convirtió en común en los satélites. Estos paneles estaban compuestos por 9600 células solares Hoffman .

En la década de 1960, las células solares eran (y siguen siendo) la principal fuente de energía para la mayoría de los satélites en órbita terrestre y varias sondas al Sistema Solar , ya que ofrecían la mejor relación potencia-peso . El éxito del mercado de la energía solar espacial impulsó el desarrollo de células solares más eficientes, debido a las limitadas opciones de energía alternativas y al deseo de obtener las mejores células posibles, hasta que el programa "Investigación Aplicada a las Necesidades Nacionales" de la Fundación Nacional de Ciencias comenzó a impulsar el desarrollo de células solares para aplicaciones terrestres.

A principios de la década de 1990, la tecnología utilizada para las células solares espaciales se diferenció de la tecnología de silicio empleada en los paneles terrestres. La aplicación en naves espaciales pasó a utilizar materiales semiconductores III-V basados en arseniuro de galio , que posteriormente evolucionaron hasta convertirse en la moderna célula fotovoltaica multijunción III-V utilizada en naves espaciales, la cual se caracteriza por ser ligera, compacta, flexible y altamente eficiente. La tecnología de vanguardia implementada en satélites utiliza células fotovoltaicas multijunción, compuestas por diferentes uniones p-n con brechas de banda variables para aprovechar un espectro más amplio de la energía solar. Además, las células solares espaciales se diferenciaron de la capa protectora utilizada en los paneles terrestres, empleando capas laminadas flexibles en las aplicaciones espaciales.

Además, los satélites grandes requieren el uso de grandes paneles solares para generar electricidad. Estos paneles solares deben desmontarse para ajustarse a las limitaciones geométricas del vehículo de lanzamiento en el que viaja el satélite antes de ser inyectado en órbita. Históricamente, las células solares en los satélites consistían en varios paneles terrestres pequeños plegados. Estos pequeños paneles se desplegaban en un panel grande una vez que el satélite se desplegaba en su órbita. Los satélites más modernos buscan utilizar paneles solares flexibles y enrollables que son muy ligeros y pueden empaquetarse en un volumen muy pequeño. El menor tamaño y peso de estos paneles flexibles reduce drásticamente el costo total del lanzamiento de un satélite debido a la relación directa entre el peso de la carga útil y el costo de lanzamiento del vehículo. ^{[ 15 ]}

En 2020, el Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. llevó a cabo su primera prueba de generación de energía solar en un satélite, el experimento del Módulo de Antena de Radiofrecuencia Fotovoltaica (PRAM) a bordo del Boeing X-37 . ^{[ 16 ]}^{[ 17 ]}

Historia

El efecto fotovoltaico fue demostrado experimentalmente por primera vez por el físico francés Edmond Becquerel . En 1839, a los 19 años, construyó la primera célula fotovoltaica del mundo en el laboratorio de su padre. Willoughby Smith describió por primera vez el "Efecto de la luz sobre el selenio durante el paso de una corriente eléctrica" en un número de Nature del 20 de febrero de 1873. En 1876, William Grylls Adams y Richard Evans Day construyeron la primera célula fotovoltaica de estado sólido . ^{[ 18 ]} En 1883, Charles Fritts construyó otra célula fotovoltaica de estado sólido recubriendo el semiconductor selenio con una fina capa de oro para formar las uniones; el dispositivo tenía una eficiencia de solo alrededor del 1%. ^{[ 19 ]} Otros hitos incluyen:

1888 – El físico ruso Aleksandr Stoletov construyó la primera celda basada en el efecto fotoeléctrico externo descubierto por Heinrich Hertz en 1887. ^{[ 20 ]}
1904 – Julius Elster , junto con Hans Friedrich Geitel , ideó la primera célula fotoeléctrica práctica. ^{[ 21 ]}
1905 – Albert Einstein propuso una nueva teoría cuántica de la luz y explicó el efecto fotoeléctrico en un artículo trascendental, por el cual recibió el Premio Nobel de Física en 1921. ^{[ 22 ]}
1941 – Vadim Lashkaryov descubrió uniones p-n en protocélulas de Cu ₂ O y Ag ₂ S. ^{[ 23 ]}
1946 – Russell Ohl patentó la moderna célula solar semiconductora de unión, ^{[ 24 ]} mientras trabajaba en la serie de avances que conducirían al transistor .
1948 - Introducción al mundo de los semiconductores afirma que Kurt Lehovec pudo haber sido el primero en explicar el efecto fotovoltaico en la revista revisada por pares Physical Review . ^{[ 25 ]}^{[ 26 ]}
1954 – La primera célula fotovoltaica práctica se demostró públicamente en los Laboratorios Bell . ^{[ 27 ]} Los inventores fueron Calvin Souther Fuller , Daryl Chapin y Gerald Pearson . ^{[ 28 ]}
1958 – Las células solares cobraron prominencia con su incorporación al satélite Vanguard I. ^{[ 29 ]}

Métodos de fabricación mejorados después de la década de 1960.

Las mejoras en precios y eficiencia fueron graduales durante la década de 1960. Una de las razones por las que los costos se mantuvieron altos fue que los usuarios del espacio estaban dispuestos a pagar por las mejores celdas posibles, lo que no dejaba motivos para invertir en soluciones más económicas y menos eficientes. Además, el precio estaba determinado en gran medida por la industria de semiconductores ; su transición a los circuitos integrados en la década de 1960 propició la disponibilidad de lingotes más grandes a precios relativamente más bajos. A medida que su precio disminuía, también lo hacía el precio de las celdas resultantes. Estos efectos redujeron los costos de las celdas en 1971 a unos 100 000 dólares por vatio. ^{[ 30 ]}

A finales de 1969, Elliot Berman se unió al grupo de trabajo de Exxon que buscaba proyectos para los próximos 30 años y, en abril de 1973, fundó Solar Power Corporation (SPC), una subsidiaria de propiedad total de Exxon en ese momento. ^{[ 31 ]}^{[ 32 ]}^{[ 33 ]} El grupo concluyó que la energía eléctrica sería mucho más cara para el año 2000 y consideró que el aumento de precio haría que las fuentes de energía alternativas fueran más atractivas. Realizó un estudio de mercado y concluyó que un precio por vatio de aproximadamente $20/vatio crearía una demanda significativa. ^{[ 31 ]} Para reducir costos, el equipo

Se eliminaron los pasos de pulir las obleas y recubrirlas con una capa antirreflectante, al utilizar superficies de obleas cortadas en bruto.
Sustituyó los costosos materiales y el cableado manual utilizados en aplicaciones espaciales por una placa de circuito impreso en la parte posterior, plástico acrílico en la parte frontal y pegamento de silicona entre ambos, "encapsulando" las celdas. ^{[ 34 ]}
Utilizaban células solares que podían fabricarse con materiales de desecho del mercado de la electrónica.

En 1973 anunciaron un producto, y SPC convenció a Tideland Signal de usar sus paneles para alimentar boyas de navegación , inicialmente para la Guardia Costera de los Estados Unidos. ^{[ 32 ]}

Investigación y producción industrial después de la década de 1970.

La investigación sobre energía solar para aplicaciones terrestres cobró prominencia con la División de Investigación y Desarrollo de Energía Solar Avanzada de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. dentro del programa "Investigación Aplicada a las Necesidades Nacionales", que se desarrolló de 1969 a 1977, ^{[ 35 ]} y financió la investigación sobre el desarrollo de energía solar para sistemas de energía eléctrica terrestre. Una conferencia de 1973, la "Conferencia de Cherry Hill", estableció los objetivos tecnológicos necesarios para lograr este objetivo y describió un ambicioso proyecto para lograrlos, dando inicio a un programa de investigación aplicada que continuaría durante varias décadas. ^{[ 36 ]} El programa fue finalmente asumido por la Administración de Investigación y Desarrollo de Energía (ERDA), ^{[ 37 ]} que más tarde se fusionó con el Departamento de Energía de EE. UU .

Tras la crisis del petróleo de 1973 , las compañías petroleras utilizaron sus mayores beneficios para crear (o adquirir) empresas de energía solar, y durante décadas fueron las mayores productoras. Exxon, ARCO, Shell, Amoco (posteriormente adquirida por BP) y Mobil contaron con importantes divisiones de energía solar durante las décadas de 1970 y 1980. También participaron empresas tecnológicas, como General Electric, Motorola, IBM, Tyco y RCA. ^{[ 38 ]}

Disminución de los costos y crecimiento exponencial de la capacidad

Historial de precios por vatio para células solares convencionales ( c-Si ) desde 1977.

La ley de Swanson , que establece que los precios de los módulos solares han caído alrededor de un 20 % por cada duplicación de la capacidad instalada, define la " tasa de aprendizaje " de la energía solar fotovoltaica ^{[ 39 ].}

Crecimiento de la energía fotovoltaica : capacidad fotovoltaica total instalada a nivel mundial.

Volumen de energía de las células solares de silicio y del petróleo aprovechado por los seres humanos por dólar; intensidad de carbono de algunas tecnologías clave de generación de electricidad ^{[ 40 ]}

Ajustando por la inflación, el costo de un módulo solar era de $96 por vatio a mediados de la década de 1970. Las mejoras en los procesos y un gran aumento en la producción han reducido esa cifra en más del 99%, a 30¢ por vatio en 2018 ^{[ 41 ]} y tan solo 20¢ por vatio en 2020. ^{[ 42 ]} La ley de Swanson es una observación similar a la ley de Moore que establece que los precios de las células solares caen un 20% por cada duplicación de la capacidad de la industria. Fue presentada en un artículo del periódico semanal británico The Economist a finales de 2012. ^{[ 43 ]} Los costos del sistema ahora son más altos que los de los paneles solares por sí solos, mientras que en 2018 se podían construir sistemas comerciales por menos de $1.00 por vatio, completamente instalados. ^{[ 14 ]}

A lo largo de las décadas, los costes de las células y paneles solares han disminuido por muchas razones:

Bolas más grandes. Cuando la industria de los semiconductores empezó a utilizar bolas cada vez más grandes , los equipos antiguos se volvieron económicos.
Mayor tamaño físico de las células solares. Los tamaños aumentaron a medida que se disponía de excedentes de equipos de semiconductores. Los paneles originales de ARCO Solar utilizaban células de 2 a 4 pulgadas (50 a 100 mm) de diámetro. Los paneles de la década de 1990 y principios de la de 2000 generalmente utilizaban obleas de 125 mm; desde 2008, casi todos los paneles nuevos utilizan células de más de 156 mm, ^[⁴⁴^] y para 2020 incluso células 'M10' de 182 mm. ^[⁴⁵^]
La disponibilidad de láminas de vidrio grandes y de alta calidad para cubrir los paneles fue posible gracias a la popularización de los televisores de pantalla plana a finales de la década de 1990 y principios de la de 2000.
Celdas solares más delgadas. Los altos precios del silicio entre 2004 y 2008 animaron a los fabricantes de celdas solares de silicio a reducir el consumo de silicio haciéndolos más delgados; de modo que, según Jef Poortmans, director del departamento orgánico y solar de IMEC , en 2008 las celdas utilizaban entre 8 y 9 gramos (0,28-0,32 oz) de silicio por vatio de generación de energía, con espesores de oblea típicos en torno a las 200 micras .

Durante la década de 1990, las células de polisilicio ("poli") ganaron popularidad. Si bien estas células ofrecen menor eficiencia que sus contrapartes de monosilicio ("mono"), su producción en grandes tanques reduce los costos. A mediados de la década de 2000, el polisilicio dominaba el mercado de paneles de bajo costo, pero más recientemente las células de monosilicio han vuelto a utilizarse ampliamente debido a las mejoras en su eficiencia.

Los paneles de silicio cristalino dominan los mercados mundiales y se fabrican principalmente en China y Taiwán. A finales de 2011, una caída en la demanda europea hizo que los precios de los módulos solares cristalinos bajaran a aproximadamente 1,09 $ ^{[ 46 ]} por vatio, una fuerte caída con respecto a 2010. Los precios continuaron bajando en 2012, alcanzando los 0,62 $/vatio en el cuarto trimestre de 2012. ^{[ 47 ]}

Se preveía que la electricidad procedente de la energía fotovoltaica sería competitiva con los costes mayoristas de electricidad en toda Europa y que el tiempo de recuperación energética de los módulos de silicio cristalino podría reducirse a menos de 0,5 años para 2020. ^{[ 48 ]}

La caída de los costos se considera uno de los factores más importantes en el rápido crecimiento de la energía renovable . En 2016, la energía solar fotovoltaica creció más rápido en Asia, con China y Japón representando actualmente la mitad del despliegue mundial . ^{[ 49 ]} Los costos de la electricidad solar fotovoltaica cayeron en ~85% entre 2010 (cuando la energía solar y eólica representaban el 1,7% de la generación mundial de electricidad) y 2021 (cuando representaban el 8,7%). ^{[ 50 ]} La capacidad fotovoltaica instalada global alcanzó al menos 301 gigavatios en 2016 y creció hasta suministrar el 1,3% de la energía mundial para 2016. ^{[ 51 ]} En 2019, las células solares representaron ~3 % de la generación mundial de electricidad con 720 Tw-hr. ^{[ 52 ]}

Subvenciones y paridad de red

Las tarifas de alimentación específicas para energía solar varían según el país y dentro de él. Dichas tarifas pueden incentivar el desarrollo de proyectos de energía solar y lograr la paridad de red. Se espera que la paridad de red , el punto en el que la electricidad fotovoltaica es igual o más barata que la energía de la red sin subsidios, se logre primero en áreas con abundante sol y altos costos de electricidad, como California y Japón . ^{[ 53 ]} En 2007, BP afirmó que Hawái y otras islas que de otro modo utilizan combustible diésel para producir electricidad lograrían la paridad de red. George W. Bush fijó 2015 como la fecha para la paridad de red en los EE. UU. ^{[ 54 ]}^{[ 55 ]} La Asociación Fotovoltaica informó en 2012 que Australia había alcanzado la paridad de red (sin considerar las tarifas de alimentación). ^{[ 56 ]}

El precio de los paneles solares cayó de forma constante durante 40 años, interrumpido en 2004 cuando los elevados subsidios en Alemania aumentaron drásticamente la demanda y elevaron considerablemente el precio del silicio purificado (que se utiliza tanto en chips de ordenador como en paneles solares). La Gran Recesión y el auge de la fabricación china provocaron que los precios reanudaran su descenso. En los cuatro años posteriores a enero de 2008, los precios de los módulos solares en Alemania cayeron de 3 € a 1 € por vatio pico. Durante ese mismo periodo, la capacidad de producción se disparó con un crecimiento anual superior al 50 %. China aumentó su cuota de mercado en la producción de paneles solares del 8 % en 2008 a más del 55 % en el último trimestre de 2010. ^{[ 57 ]} En diciembre de 2012, el precio de los paneles solares chinos había caído a 0,60 $/Wp (módulos cristalinos). ^{[ 58 ]} (La abreviatura Wp significa capacidad pico en vatios, o la capacidad máxima en condiciones óptimas. ^{[ 59 ]} )

A finales de 2016, se informó que los precios al contado de los paneles solares ensamblados (no de las células) habían caído a un mínimo histórico de 0,36 USD/Wp. El segundo mayor proveedor, Canadian Solar Inc., había reportado costos de 0,37 USD/Wp en el tercer trimestre de 2016, una disminución de 0,02 USD con respecto al trimestre anterior, por lo que probablemente aún se encontraba al menos en el punto de equilibrio. Muchos productores esperaban que los costos bajaran a alrededor de 0,30 USD para finales de 2017. ^{[ 60 ]} También se informó que las nuevas instalaciones solares eran más baratas que las centrales térmicas de carbón en algunas regiones del mundo, y se esperaba que esto ocurriera en la mayor parte del mundo en una década. ^{[ 61 ]}

Teoría

Esquema de la recolección de carga por células solares. La luz se transmite a través de un electrodo conductor transparente creando pares electrón-hueco, que son recolectados por ambos electrodos. ^{[ 62 ]}

Una célula solar está compuesta de materiales semiconductores , como el silicio , que se han transformado en una unión p-n . Estas uniones se crean dopando un lado del dispositivo con un semiconductor de tipo p y el otro con uno de tipo n; por ejemplo, en el caso del silicio, mediante la introducción de pequeñas concentraciones de boro o fósforo , respectivamente.

Las células solares utilizan el "dopaje" del sustrato de silicio para reducir la energía de activación, lo que hace que la célula sea más eficiente en la conversión de fotones en electrones recuperables. ^{[ 63 ]} Los dopantes químicos como el boro (tipo p) se aplican al cristal semiconductor para crear niveles de energía donadores y aceptores sustancialmente más cercanos a las bandas de valencia y de conducción. ^{[ 64 ]} Al hacerlo, la adición de impurezas de boro permite que la energía de activación disminuya veinte veces, de 1,12 eV a 0,05 eV. Dado que la diferencia de potencial (E _B ) es tan baja, el boro puede ionizarse térmicamente a temperatura ambiente. Esto permite portadores de energía libres en las bandas de conducción y de valencia, lo que permite una mayor conversión de fotones en electrones.

Durante su funcionamiento, los fotones de la luz solar inciden sobre la célula solar y son absorbidos por el semiconductor. Al absorberse los fotones, los electrones se excitan desde la banda de valencia a la banda de conducción (o desde orbitales moleculares ocupados a desocupados en el caso de una célula solar orgánica ), generando pares electrón-hueco . Si estos pares se crean cerca de la unión entre los materiales de tipo p y tipo n, el campo eléctrico local los dispersa hacia electrodos opuestos, produciendo un exceso de electrones en un lado y un exceso de huecos en el otro. Cuando la célula solar está desconectada (o la carga eléctrica externa es muy alta), los electrones y los huecos finalmente restablecerán el equilibrio al difundirse de vuelta a través de la unión en contra del campo y recombinarse entre sí, liberando calor. Sin embargo, si la carga es lo suficientemente pequeña, es más fácil que el equilibrio se restablezca mediante el exceso de electrones que circulan por el circuito externo, realizando trabajo útil en el proceso.

La celda solar más conocida se configura como una unión p-n de gran superficie hecha de silicio. Otros tipos posibles de celdas solares son las celdas solares orgánicas, las celdas solares sensibilizadas por colorante, las celdas solares de perovskita, las celdas solares de puntos cuánticos, etc. El lado iluminado de una celda solar generalmente tiene una película conductora transparente que permite que la luz entre en el material activo y recoja los portadores de carga generados. Típicamente, se utilizan películas con alta transmitancia y alta conductancia eléctrica, como óxido de indio y estaño , polímeros conductores o redes de nanocables conductores. ^{[ 62 ]}

Eficiencia

La eficiencia de las células solares se puede desglosar en eficiencia de reflectancia, eficiencia termodinámica, eficiencia de separación de portadores de carga y eficiencia conductiva. La eficiencia global es el producto de estas métricas individuales.

La eficiencia de conversión de energía de una celda solar es un parámetro que se define por la fracción de energía incidente convertida en electricidad. ^{[ 65 ]}

Una célula solar tiene una curva de eficiencia que depende del voltaje, coeficientes de temperatura y ángulos de sombra admisibles.

Debido a la dificultad de medir directamente estos parámetros, se utilizan otros como la eficiencia termodinámica, la eficiencia cuántica , la eficiencia cuántica integrada , la relación V _OC y el factor de llenado. Las pérdidas por reflectancia constituyen una parte de la eficiencia cuántica, denominada " eficiencia cuántica externa ". Las pérdidas por recombinación representan otra parte de la eficiencia cuántica, la relación V _OC y el factor de llenado. Las pérdidas resistivas se clasifican principalmente dentro del factor de llenado, pero también constituyen una pequeña parte de la eficiencia cuántica y la relación V _OC .

El factor de llenado es la relación entre la potencia máxima real obtenible y el producto de la tensión en circuito abierto y la corriente en cortocircuito . Este es un parámetro clave para evaluar el rendimiento. En 2009, las células solares comerciales típicas tenían un factor de llenado > 0,70. Las células de grado B solían estar entre 0,4 y 0,7. ^{[ 66 ]} Las células con un alto factor de llenado tienen una baja resistencia serie equivalente y una alta resistencia en paralelo equivalente , por lo que se disipa menos corriente producida por la célula en pérdidas internas.

Los dispositivos de silicio cristalino de unión p-n simple se están acercando a la eficiencia de potencia límite teórica del 33,16%, ^{[ 67 ]} conocida como el límite de Shockley-Queisser en 1961. En el extremo, con un número infinito de capas, el límite correspondiente es del 86% utilizando luz solar concentrada. ^{[ 68 ]}

En 2014, tres empresas batieron el récord del 25,6 % para una célula solar de silicio. La de Panasonic fue la más eficiente. La empresa trasladó los contactos frontales a la parte posterior del panel, eliminando así las zonas sombreadas. Además, aplicaron finas películas de silicio en la parte frontal y posterior de la oblea (de silicio de alta calidad) para eliminar los defectos en la superficie de la oblea o cerca de ella. ^{[ 69 ]}

En 2015, una célula solar de 4 uniones GaInP / GaAs // GaInAsP / GaInAs alcanzó un nuevo récord de eficiencia en laboratorio del 46,1 % (relación de concentración de luz solar = 312) en una colaboración franco-alemana entre el Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (Fraunhofer ISE) , CEA-LETI y SOITEC. ^[⁷⁰^]

En septiembre de 2015, Fraunhofer ISE anunció haber alcanzado una eficiencia superior al 20 % para las células de obleas epitaxiales . El trabajo de optimización de la cadena de producción en línea de deposición química en fase vapor a presión atmosférica (APCVD) se realizó en colaboración con NexWafe GmbH, una empresa derivada de Fraunhofer ISE para la comercialización de la producción. ^{[ 71 ]}^{[ 72 ]}

Para las células solares de película delgada de triple unión, el récord mundial es del 13,6%, establecido en junio de 2015. ^{[ 73 ]}

En 2016, investigadores del Fraunhofer ISE anunciaron una célula solar de triple unión GaInP / GaAs / Si con dos terminales que alcanzaba una eficiencia del 30,2% sin concentración. ^[⁷⁴^]

En 2017, un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL), EPFL y CSEM ( Suiza ) reportó eficiencias récord de 32,8 % para dispositivos de células solares de doble unión GaInP / GaAs bajo irradiación solar. Además, el dispositivo de doble unión se apiló mecánicamente con una célula solar de silicio para lograr una eficiencia récord de 35,9 % para células solares de triple unión bajo irradiación solar. ^[⁷⁵^]

Materiales

Las células solares suelen recibir su nombre del material semiconductor del que están compuestas. Estos materiales presentan características variables para absorber el espectro óptimo de luz solar disponible . Algunas células están diseñadas para aprovechar la luz solar que llega a la superficie terrestre, mientras que otras están optimizadas para su uso en el espacio . Las células solares pueden estar formadas por una sola capa de material fotorreceptor ( de unión simple ) o utilizar múltiples configuraciones físicas ( multijunciones ) para aprovechar diversos mecanismos de absorción y separación de carga.

Las células solares se pueden clasificar en primera, segunda y tercera generación:

Las células de primera generación, también llamadas células convencionales, tradicionales o basadas en obleas , están hechas de silicio cristalino , la tecnología fotovoltaica predominante a nivel comercial, que incluye materiales como el polisilicio y el silicio monocristalino .
Las células de segunda generación son células solares de película delgada , que incluyen células de silicio amorfo , CdTe y CIGS , y son comercialmente importantes en centrales fotovoltaicas a gran escala , sistemas fotovoltaicos integrados en edificios o en pequeños sistemas de energía autónomos .
La tercera generación de células solares incluye varias tecnologías de película delgada, a menudo descritas como fotovoltaicas emergentes; la mayoría de ellas aún no se han aplicado comercialmente y se encuentran en fase de investigación o desarrollo. Muchas utilizan materiales orgánicos, frecuentemente compuestos organometálicos , así como sustancias inorgánicas. A pesar de que su eficiencia ha sido baja y la estabilidad del material absorbente suele ser demasiado corta para aplicaciones comerciales, se investigan estas tecnologías, ya que prometen lograr el objetivo de producir células solares de bajo costo y alta eficiencia. ^{[ 77 ]}

En 2016, las células solares más populares y eficientes eran las fabricadas con obleas delgadas de silicio, que también constituyen la tecnología de células solares más antigua. ^{[ 78 ]}

Silicio cristalino

El material a granel más común para las células solares es, sin duda, el silicio cristalino (c-Si), también conocido como «silicio de grado solar». El silicio a granel se clasifica en varias categorías según su cristalinidad y el tamaño de los cristales en el lingote , la cinta o la oblea resultante . Estas células se basan completamente en el concepto de unión p-n . Las células solares de c-Si se fabrican a partir de obleas de entre 160 y 240 micrómetros de espesor.

silicio monocristalino

Las células solares de silicio monocristalino (mono-Si) presentan una composición monocristalina que permite que los electrones se muevan con mayor libertad que en una configuración multicristalina. En consecuencia, los paneles solares monocristalinos ofrecen una mayor eficiencia que sus homólogos multicristalinos. ^{[ 79 ]} Las esquinas de las células parecen recortadas, como un octágono, porque el material de la oblea se corta de lingotes cilíndricos, que generalmente se cultivan mediante el proceso Czochralski . Los paneles solares que utilizan células mono-Si muestran un patrón distintivo de pequeños diamantes blancos.

Desarrollo del silicio epitaxial

Las obleas epitaxiales de silicio cristalino se pueden cultivar sobre una oblea "semilla" de silicio monocristalino mediante deposición química de vapor (CVD), y luego separarse como obleas autoportantes de un espesor estándar (por ejemplo, 250 μm) que se pueden manipular manualmente y sustituir directamente a las células de oblea cortadas de lingotes de silicio monocristalino. Las células solares fabricadas con esta técnica " sin corte " pueden tener eficiencias cercanas a las de las células cortadas de oblea, pero a un coste considerablemente menor si la CVD se puede realizar a presión atmosférica en un proceso en línea de alto rendimiento. ^{[ 71 ]}^{[ 72 ]} La superficie de las obleas epitaxiales se puede texturizar para mejorar la absorción de luz. ^{[ 80 ]}^{[ 81 ]}

En junio de 2015, se informó que las células solares de heterounión cultivadas epitaxialmente sobre obleas de silicio monocristalino de tipo n habían alcanzado una eficiencia del 22,5% sobre un área total de célula de 243,4 cm². $^{2}$ [ ^{82 ] Las células solares de heterounión alcanzaron}^la producción en masa algún tiempo antes de 2022. ^[⁸³^] También había superado a los paneles de campo de superficie posterior de aluminio (Al-BSF) en cuota de mercado. Sin embargo, no se espera que supere a los TOPCon (contacto pasivado de óxido de túnel) convencionales debido a límites de eficiencia teórica similares y mayores costos de producción. ^{[ 84 ]}

silicio policristalino

Las células de silicio policristalino o silicio multicristalino (multi-Si) se fabrican a partir de lingotes cuadrados fundidos: grandes bloques de silicio fundido que se enfrían y solidifican cuidadosamente. Están compuestas de pequeños cristales que le confieren al material su característico efecto de escamas metálicas . Las células de polisilicio son el tipo más común en la energía fotovoltaica y, si bien son menos costosas, también son menos eficientes que las fabricadas con silicio monocristalino.

Silicona en cinta

El silicio en cinta es un tipo de silicio policristalino; se forma estirando películas delgadas y planas a partir de silicio fundido , lo que da como resultado una estructura policristalina. Estas células son más baratas de fabricar que las de silicio multicristalino, debido a una gran reducción en los residuos de silicio, ya que este método no requiere el corte de lingotes . ^{[ 85 ]} Sin embargo, también son menos eficientes.

Mono-like-multi silicio (MLM)

Esta forma se desarrolló en la década de 2000 y se introdujo comercialmente alrededor de 2009. También llamada monocristalina fundida, este diseño utiliza cámaras de fundición policristalinas con pequeñas "semillas" de material monocristalino. El resultado es un material similar al monocristalino a granel, pero policristalino en el exterior. Al cortarlo para su procesamiento, las secciones internas son células similares al monocristalino de alta eficiencia (pero cuadradas en lugar de "recortadas"), mientras que los bordes exteriores se venden como policristalino convencional. Este método de producción da como resultado células similares al monocristalino a precios similares a los del policristalino. ^{[ 86 ]}

Película delgada

Las tecnologías de película delgada reducen la cantidad de material activo en una celda. La mayoría de los diseños intercalan el material activo entre dos láminas de vidrio. Dado que los paneles solares de silicio solo utilizan una lámina de vidrio, los paneles de película delgada son aproximadamente el doble de pesados que los paneles de silicio cristalino, aunque tienen un menor impacto ecológico (determinado a partir del análisis del ciclo de vida ). ^{[ 87 ]}^{[ 88 ]}

telururo de cadmio

El telururo de cadmio es el único material de película delgada que hasta ahora rivaliza con el silicio cristalino en costo/vatio. Sin embargo, el cadmio es altamente tóxico y las reservas de telurio ( anión : "telururo") son limitadas. El cadmio presente en las celdas sería tóxico si se liberara. Sin embargo, la liberación es imposible durante el funcionamiento normal de las celdas y es improbable durante incendios en techos residenciales. ^{[ 89 ]} Un metro cuadrado de CdTe contiene aproximadamente la misma cantidad de Cd que una sola batería de níquel-cadmio de celda C , en una forma más estable y menos soluble. ^{[ 89 ]}

seleniuro de cobre, indio y galio

El seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) es un material de banda prohibida directa . Posee la mayor eficiencia (~20%) entre todos los materiales de película delgada de importancia comercial (véase celda solar de CIGS ). Los métodos de fabricación tradicionales implican procesos al vacío, incluyendo la coevaporación y la pulverización catódica. Los recientes avances de IBM y Nanosolar buscan reducir el costo mediante el uso de procesos en solución sin vacío. ^{[ 90 ]}

película delgada de silicio

Las celdas de película delgada de silicio se depositan principalmente mediante deposición química en fase vapor (típicamente asistida por plasma, PE-CVD) a partir de gas silano y gas hidrógeno . Dependiendo de los parámetros de deposición, esto puede producir silicio amorfo (a-Si o a-Si:H), silicio protocristalino o silicio nanocristalino (nc-Si o nc-Si:H), también llamado silicio microcristalino. ^{[ 91 ]}

El silicio amorfo es la tecnología de película delgada más desarrollada hasta la fecha. Una célula solar de silicio amorfo (a-Si) está compuesta de silicio no cristalino o microcristalino. El silicio amorfo tiene una banda prohibida mayor (1,7 eV) que el silicio cristalino (c-Si) (1,1 eV), lo que significa que absorbe la parte visible del espectro solar con mayor intensidad que la porción infrarroja del espectro, que presenta una mayor densidad de potencia. La producción de células solares de película delgada de a-Si utiliza vidrio como sustrato y deposita una capa muy delgada de silicio mediante deposición química en fase vapor asistida por plasma (PECVD).

El silicio protocristalino con una baja fracción volumétrica de silicio nanocristalino es óptimo para un alto voltaje de circuito abierto. ^{[ 92 ]} El Nc-Si tiene aproximadamente la misma banda prohibida que el c-Si y el nc-Si y el a-Si se pueden combinar ventajosamente en capas delgadas, creando una celda en capas llamada celda en tándem. La celda superior de a-Si absorbe la luz visible y deja la parte infrarroja del espectro para la celda inferior de nc-Si.

película delgada de arseniuro de galio

El material semiconductor arseniuro de galio (GaAs) también se utiliza para células solares de película delgada monocristalina. Aunque las células de GaAs son muy caras, ^{[ 93 ]} tienen el récord mundial en eficiencia para una célula solar de unión simple con un 28,8%. ^{[ 94 ]} Normalmente se fabrican en obleas de silicio cristalino ^{[ 95 ]} con un factor de llenado del 41% , al pasar a silicio poroso el factor de llenado puede aumentarse al 56% con un coste potencialmente reducido. Utilizar menos material activo de GaAs mediante la fabricación de nanocables es otra vía potencial para la reducción de costes. ^{[ 96 ]} El GaAs se utiliza más comúnmente en células fotovoltaicas de unión múltiple para fotovoltaica concentrada (CPV, HCPV) y para paneles solares en naves espaciales , ya que la industria prioriza la eficiencia sobre el coste para la energía solar espacial .

Células de unión múltiple

Las células multijunción constan de múltiples películas delgadas, cada una esencialmente una célula solar cultivada sobre otra, generalmente mediante epitaxia en fase de vapor metalorgánico . Cada capa tiene una energía de banda prohibida diferente que le permite absorber radiación electromagnética en una porción diferente del espectro. Las células multijunción se desarrollaron originalmente para aplicaciones especiales como satélites y exploración espacial , pero ahora se utilizan cada vez más en la fotovoltaica de concentración terrestre (CPV), una tecnología emergente que utiliza lentes y espejos curvos para concentrar la luz solar en células solares multijunción pequeñas y altamente eficientes. Al concentrar la luz solar hasta mil veces, la fotovoltaica de alta concentración (HCPV) tiene el potencial de superar a la energía solar fotovoltaica convencional en el futuro. ^{[ 97 ]}^{: 21, 26}

Las células solares en tándem basadas en uniones p-n monolíticas conectadas en serie de fosfuro de galio e indio ( GaInP ), arseniuro de galio ( GaAs ) y germanio ( Ge ) están aumentando sus ventas, a pesar de las presiones de costos. ^[⁹⁸^] Entre diciembre de 2006 y diciembre de 2007, el costo del galio metálico 4N aumentó de aproximadamente $350 por kg a $680 por kg. Además, los precios del germanio metálico han aumentado sustancialmente a $1000–1200 por kg este año. Estos materiales incluyen galio (Ga 4N, 6N y 7N), arsénico (Ga 4N, 6N y 7N) y germanio, crisoles de nitruro de boro pirolítico (pBN) para el crecimiento de cristales y óxido de boro; estos productos son críticos para toda la industria de fabricación de sustratos. ^[⁹⁹^]

Una celda de triple unión, por ejemplo, puede estar compuesta por los semiconductores: GaAs , Ge y GaInP._2.^{[ 100 ]} Las células solares de GaAs de triple unión se utilizaron como fuente de energía de los holandeses Nuna,cuatrovecesganadoresdel World Solar Challengeen 2003, 2005 y 2007, y de los coches solares holandesesSolutra (2005),Twente One (2007)y 21Revolution (2009).^[¹⁰¹^] Los dispositivos multijunción basados en GaAs son las células solares más eficientes hasta la fecha. El 15 de octubre de 2012, las células metamórficas de triple unión alcanzaron un récord del 44%.^[¹⁰²^] En 2022, investigadores del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar ISE en Friburgo, Alemania, demostraron una eficiencia récord de células solares del 47,6% bajo una concentración de luz solar 665 veces mayor con una célula solar concentradora de cuatro uniones.^[¹⁰³^]^[¹⁰⁴^]

Celdas solares de doble unión GaInP/Si

En 2016, se describió un nuevo enfoque para la producción de obleas fotovoltaicas híbridas que combina la alta eficiencia de las células solares multijunción III-V con las ventajas económicas y la amplia experiencia asociadas al silicio. Las complicaciones técnicas que implica el crecimiento del material III-V sobre silicio a las altas temperaturas requeridas, un tema de estudio durante unos 30 años, se evitan mediante el crecimiento epitaxial de silicio sobre GaAs a baja temperatura mediante deposición química en fase vapor asistida por plasma (PECVD). ^{[ 105 ]}

Las células solares de unión simple de Si se han estudiado ampliamente durante décadas y están alcanzando su eficiencia práctica de ~26% en condiciones de 1 sol. ^{[ 106 ]} Aumentar esta eficiencia puede requerir agregar más células con energía de banda prohibida mayor a 1,1 eV a la célula de Si, lo que permite convertir fotones de longitud de onda corta para generar voltaje adicional. Una célula solar de doble unión con una banda prohibida de 1,6–1,8 eV como célula superior puede reducir la pérdida por termalización, producir una alta eficiencia radiativa externa y alcanzar eficiencias teóricas superiores al 45%. ^{[ 107 ]} Se puede fabricar una célula en tándem cultivando las células de GaInP y Si. Cultivarlas por separado puede superar el desajuste de la constante de red del 4% entre el Si y las capas III–V más comunes que impiden la integración directa en una sola célula. Por lo tanto, las dos células están separadas por una lámina de vidrio transparente para que el desajuste de la red no cause tensión en el sistema. Esto crea una célula con cuatro contactos eléctricos y dos uniones que demostró una eficiencia del 18,1%. Con un factor de llenado (FF) del 76,2 %, la celda inferior de Si alcanza una eficiencia del 11,7 % (± 0,4) en el dispositivo en tándem, lo que resulta en una eficiencia acumulada de la celda en tándem del 29,8 %. ^{[ 108 ]} Esta eficiencia supera el límite teórico del 29,4 % ^{[ 109 ]} y el valor de eficiencia experimental récord de una celda solar de Si de 1 sol, y también es superior al dispositivo de GaAs de 1 sol de eficiencia récord. Sin embargo, el uso de un sustrato de GaAs es costoso y no práctico. Por lo tanto, los investigadores intentan hacer una celda con dos puntos de contacto eléctrico y una unión, que no necesita un sustrato de GaAs. Esto significa que habrá una integración directa de GaInP y Si.

Investigación en células solares

células solares de perovskita

Las células solares de perovskita son células solares que incluyen un material con estructura de perovskita como capa activa. Generalmente, se trata de un material híbrido orgánico-inorgánico a base de haluro de estaño o plomo procesado en solución. Las eficiencias han aumentado de menos del 5 % en su primer uso en 2009 al 25,5 % en 2020, lo que las convierte en una tecnología de rápido avance y un tema candente en el campo de las células solares. ^{[ 110 ]} Investigadores de la Universidad de Rochester informaron en 2023 que se pueden lograr mejoras significativas adicionales en la eficiencia de las células mediante la utilización del efecto Purcell . ^{[ 111 ]}

También se prevé que las células solares de perovskita sean extremadamente económicas de escalar, lo que las convierte en una opción muy atractiva para la comercialización. Hasta ahora, la mayoría de los tipos de células solares de perovskita no han alcanzado la estabilidad operativa suficiente para su comercialización, aunque muchos grupos de investigación están investigando formas de resolver esto. ^{[ 112 ]} Se ha demostrado que la sostenibilidad energética y ambiental de las células solares de perovskita y de la perovskita en tándem depende de las estructuras. ^{[ 113 ]}^{[ 114 ]}^{[ 115 ]} Los contactos frontales fotónicos para la gestión de la luz pueden mejorar el rendimiento de las células de perovskita, a través de una absorción de banda ancha mejorada, al tiempo que permiten una mejor estabilidad operativa debido a la protección contra la radiación dañina de alta energía (por encima del visible). ^{[ 116 ]} La inclusión del elemento tóxico plomo en las células solares de perovskita más eficientes es un problema potencial para la comercialización. ^{[ 117 ]}

Celdas solares bifaciales

Con una cara posterior transparente, las células solares bifaciales pueden absorber luz tanto de la cara frontal como de la posterior. Por lo tanto, pueden producir más electricidad que las células solares monofaciales convencionales. La primera patente de células solares bifaciales fue presentada por el investigador japonés Hiroshi Mori en 1966. ^{[ 118 ]} Posteriormente, se dice que Rusia fue la primera en desplegar células solares bifaciales en su programa espacial en la década de 1970. ^{[ 119 ]} En 1976, el Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid inició un programa de investigación para el desarrollo de células solares bifaciales liderado por el Prof. Antonio Luque . Basándose en patentes estadounidenses y españolas de 1977 de Luque, se propuso una célula bifacial práctica con una cara frontal como ánodo y una cara posterior como cátodo; en propuestas e intentos reportados anteriormente, ambas caras eran anódicas y la interconexión entre células era complicada y costosa. ^{[ 120 ]}^{[ 121 ]}^{[ 122 ]} En 1980, Andrés Cuevas, un estudiante de doctorado en el equipo de Luque, demostró experimentalmente un aumento del 50% en la potencia de salida de las células solares bifaciales, en relación con las monofaciales idénticamente orientadas e inclinadas, cuando se proporcionó un fondo blanco. ^{[ 123 ]} En 1981 se fundó la empresa Isofoton en Málaga para producir las células bifaciales desarrolladas, convirtiéndose así en la primera industrialización de esta tecnología de células fotovoltaicas. Con una capacidad de producción inicial de 300 kW/año de células solares bifaciales, los primeros hitos de la producción de Isofoton fueron la central eléctrica de 20 kWp en San Agustín de Guadalix , construida en 1986 para Iberdrola , y una instalación fuera de la red en 1988 también de 20 kWp en el pueblo de Noto Gouye Diama ( Senegal ) financiada por los programas españoles de ayuda y cooperación internacional .

Debido a la reducción de los costos de fabricación, las empresas han vuelto a producir módulos bifaciales comerciales desde 2010. Para 2017, existían al menos ocho fabricantes fotovoltaicos certificados que suministraban módulos bifaciales en Norteamérica. La Hoja de Ruta Tecnológica Internacional para la Energía Fotovoltaica (ITRPV) predijo que la cuota de mercado global de la tecnología bifacial se expandiría de menos del 5 % en 2016 al 30 % en 2027. ^{[ 124 ]}

Debido al gran interés en la tecnología bifacial, un estudio reciente ha investigado el rendimiento y la optimización de los módulos solares bifaciales en todo el mundo. ^{[ 125 ]}^{[ 126 ]} Los resultados indican que, a nivel mundial, los módulos bifaciales montados en el suelo solo pueden ofrecer una ganancia de ~10% en los rendimientos anuales de electricidad en comparación con sus contrapartes monofaciales para un coeficiente de albedo del suelo del 25% (típico para superficies de hormigón y vegetación). Sin embargo, la ganancia puede aumentarse a ~30% elevando el módulo 1 m sobre el suelo y mejorando el coeficiente de albedo del suelo al 50%. Sun et al. también derivaron un conjunto de ecuaciones empíricas que pueden optimizar analíticamente los módulos solares bifaciales. ^{[ 125 ]} Además, hay evidencia de que los paneles bifaciales funcionan mejor que los paneles tradicionales en entornos nevados, ya que las células bifaciales en seguidores de doble eje produjeron un 14% más de electricidad en un año que sus contrapartes monofaciales y un 40% durante los meses pico del invierno. ^{[ 127 ]}

Existe una herramienta de simulación en línea disponible para modelar el rendimiento de módulos bifaciales en cualquier ubicación del mundo. También puede optimizar los módulos bifaciales en función del ángulo de inclinación, el ángulo de acimut y la elevación sobre el suelo. ^{[ 128 ]}

Banda intermedia

La fotovoltaica de banda intermedia en la investigación de células solares proporciona métodos para superar el límite de Shockley-Queisser en la eficiencia de una célula. Introduce un nivel de energía de banda intermedia (BI) entre las bandas de valencia y de conducción. Teóricamente, la introducción de una BI permite que dos fotones con energía menor que la banda prohibida exciten un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción . Esto aumenta la fotocorriente inducida y, por lo tanto, la eficiencia. ^{[ 129 ]}

Luque y Marti derivaron por primera vez un límite teórico para un dispositivo IB con un nivel de energía de banda prohibida utilizando el equilibrio detallado . Asumieron que no se recolectaban portadores en el IB y que el dispositivo estaba bajo concentración completa. Encontraron que la eficiencia máxima del IB era del 63,2%, para una banda prohibida de 1,95 eV con el IB a 0,71 eV de la banda de valencia o de conducción y en comparación con la eficiencia límite bajo iluminación solar de un sol del 47%. ^{[ 130 ]} Se están estudiando varios métodos para lograr semiconductores IB con dicha configuración óptima de 3 bandas prohibidas, a saber, mediante ingeniería de materiales (inclusión controlada de impurezas de nivel profundo o aleaciones altamente desadaptadas) y nanoestructuración (puntos cuánticos en heterocristales anfitriones). ^{[ 131 ]}

tintas líquidas

En 2014, investigadores del Instituto de Nanosistemas de California descubrieron que el uso de kesterita y perovskita mejoraba la eficiencia de conversión de energía eléctrica para las células solares. ^{[ 132 ]}

En diciembre de 2022, se informó que investigadores del MIT habían desarrollado células solares de tela ultraligeras. Estas células ofrecen un peso cien veces menor que el de los paneles tradicionales, a la vez que generan 18 veces más energía por kilogramo. Más delgadas que un cabello humano, estas células se pueden laminar sobre diversas superficies, como velas de barcos, tiendas de campaña, lonas o alas de drones, para ampliar su funcionalidad. Utilizando materiales a base de tinta y técnicas escalables, los investigadores recubren la estructura de la célula solar con tintas electrónicas imprimibles, completando el módulo con electrodos serigrafiados . Probadas en tela de alta resistencia, las células producen 370 vatios por kilogramo, lo que representa una mejora con respecto a las células solares convencionales. ^{[ 133 ]}

Conversión ascendente y descendente

La conversión ascendente de fotones consiste en utilizar dos fotones de baja energía ( por ejemplo , infrarrojos) para producir un fotón de mayor energía; la conversión descendente consiste en utilizar un fotón de alta energía ( por ejemplo , ultravioleta) para producir dos fotones de menor energía. Cualquiera de estas técnicas podría utilizarse para producir células solares de mayor eficiencia, permitiendo un uso más eficiente de los fotones solares. Sin embargo, la dificultad radica en que la eficiencia de conversión de los fósforos existentes que presentan conversión ascendente o descendente es baja y, por lo general, de banda estrecha.

Una técnica de conversión ascendente consiste en incorporar materiales dopados con lantánidos ( Er ³⁺, Yb ³⁺, Ho ³⁺o una combinación), aprovechando su luminiscencia para convertir la radiación infrarroja en luz visible. El proceso de conversión ascendente ocurre cuando dos fotones infrarrojos son absorbidos por iones de tierras raras para generar un fotón absorbible (de alta energía). Como ejemplo, el proceso de conversión ascendente por transferencia de energía (ETU) consiste en procesos de transferencia sucesivos entre iones excitados en el infrarrojo cercano. El material convertidor ascendente podría colocarse debajo de la celda solar para absorber la luz infrarroja que pasa a través del silicio. Los iones útiles se encuentran más comúnmente en estado trivalente. Er ⁺Los iones han sido los más utilizados. Er ³⁺Los iones absorben la radiación solar alrededor de 1,54 μm. Dos Er ³⁺Los iones que han absorbido esta radiación pueden interactuar entre sí mediante un proceso de conversión ascendente. El ion excitado emite luz por encima de la banda prohibida del Si, que es absorbida por la célula solar y crea un par electrón-hueco adicional que puede generar corriente. Sin embargo, el aumento de eficiencia fue pequeño. Además, los vidrios de fluoroindato tienen baja energía de fonones y se han propuesto como una matriz adecuada dopada con Ho ^3+.iones. ^{[ 134 ]}

Tintes que absorben la luz

Las células solares sensibilizadas por colorante (DSSCs) están hechas de materiales de bajo costo y no requieren equipos de fabricación complejos, por lo que pueden fabricarse de forma casera . En grandes cantidades, deberían ser significativamente más económicas que los diseños de células de estado sólido más antiguos . Las DSSCs pueden diseñarse en láminas flexibles y, aunque su eficiencia de conversión es menor que la de las mejores células de película delgada , su relación precio/rendimiento puede ser lo suficientemente alta como para permitirles competir con la generación de electricidad a partir de combustibles fósiles .

Normalmente se utiliza un colorante organometálico de rutenio (centrado en Ru) como monocapa de material absorbente de luz, que se adsorbe sobre una película delgada de dióxido de titanio . La celda solar sensibilizada con colorante depende de esta capa mesoporosa de dióxido de titanio nanoparticulado (TiO₂ ₎ para amplificar en gran medida el área superficial (200–300 m² ^/ g TiO₂ ).₂ , en comparación con aproximadamente 10 m²/g de monocristal plano), lo que permite una mayor cantidad de colorantes por área de celda solar (lo que a su vez aumenta la corriente). Los electrones fotogenerados del colorante que absorbe la luz se transfieren alTiO₂ y los huecos son absorbidos por unelectrolitoen el otro lado del colorante. El circuito se completa mediante unredoxen el electrolito, que puede ser líquido o sólido. Este tipo de celda permite un uso más flexible de los materiales y se fabrica típicamente medianteserigrafíaoboquillas ultrasónicas, con el potencial de menores costos de procesamiento que los utilizados para las celdas solares masivas. Sin embargo, los colorantes en estas celdas también sufrendegradaciónbajo el calor yUVy la carcasa de la celda es difícil desellardebido a los solventes utilizados en el ensamblaje. Debido a esta razón, los investigadores han desarrollado celdas solares sensibilizadas por colorante de estado sólido que utilizan un electrolito sólido para evitar fugas.^{[ 135 ]} El primer envío comercial de módulos solares DSSC se produjo en julio de 2009 por G24i Innovations.^{[ 136 ]}

Puntos cuánticos

Las células solares de puntos cuánticos (QDSC) se basan en la arquitectura de la célula de Gratzel o célula solar sensibilizada por colorante , pero emplean nanopartículas semiconductoras de banda prohibida baja , fabricadas con tamaños de cristalito lo suficientemente pequeños como para formar puntos cuánticos (como CdS , CdSe , Sb ₂ S₃ ,PbS, etc.), en lugar de colorantes orgánicos u organometálicos como absorbentes de luz. Debido a la toxicidad asociada con los compuestos a base de Cd y Pb, también hay una serie de materiales sensibilizadores QD "verdes" en desarrollo (como_CuInS₂,CuInSe₂yCuInSeS).^[¹³⁷^] La cuantización del tamaño de los QD permite ajustar la brecha de banda simplemente cambiando el tamaño de la partícula. También tienen altoscoeficientes de extincióny han demostrado la posibilidad degeneración de múltiples_excitones.^[¹³⁸^]

En una QDSC, una capa mesoporosa de nanopartículas de dióxido de titanio forma la estructura principal de la celda, de forma muy similar a como ocurre en una DSSC. Este TiO_{La capa 2} puede hacerse fotoactiva recubriéndola con puntos cuánticos semiconductores mediantedeposición química en baño,deposición electroforéticao adsorción y reacción sucesivas de capas iónicas. El circuito eléctrico se completa mediante el uso de unpar redox. La eficiencia de las QDSC ha aumentado^{[ 139 ]} a más del 5%, demostrada tanto para celdasde unión líquida^{[ 140 ] como de estado sólido,}^{[ 141 ]} con una eficiencia máxima reportada del 11,91%.^{[ 142 ]} En un esfuerzo por disminuir los costos de producción, elgrupo de investigaciónde Prashant Kamat^{[ 143 ]} demostró una pintura solar hecha conTiO₂ y CdSe que se pueden aplicar mediante un método de un solo paso a cualquier superficie conductora con eficiencias superiores al 1%.^{[ 144 ]} Sin embargo, la absorción de puntos cuánticos (QD) en QDSC es débil a temperatura ambiente.^{[ 145 ]} Lasnanopartículas plasmónicasse pueden utilizar para abordar la débil absorción de los QD (por ejemplo, nanoestrellas).^{[ 146 ]} Agregar una fuente de bombeo infrarrojo externa para excitar la transición intrabanda e interbanda de los QD es otra solución.^{[ 145 ]}

Celdas solares orgánicas/poliméricas

Las células solares orgánicas y las células solares de polímeros se construyen a partir de películas delgadas (normalmente de 100 nm) de semiconductores orgánicos , incluidos polímeros como el polifenileno vinileno y compuestos de moléculas pequeñas como la ftalocianina de cobre (un pigmento orgánico azul o verde) y los fullerenos de carbono y derivados de fullereno como el PCBM .

Pueden procesarse a partir de una solución líquida, lo que ofrece la posibilidad de un proceso de impresión rollo a rollo sencillo, con el potencial de lograr una producción a gran escala y de bajo costo. Además, estas celdas podrían ser beneficiosas para algunas aplicaciones donde la flexibilidad mecánica y la posibilidad de desecharlas son importantes. Sin embargo, la eficiencia actual de las celdas es muy baja y prácticamente no existen dispositivos prácticos.

Las eficiencias de conversión de energía logradas hasta la fecha con polímeros conductores son muy bajas en comparación con los materiales inorgánicos. Sin embargo, Konarka Power Plastic alcanzó una eficiencia del 8,3 % ^{[ 147 ]} y las celdas orgánicas en tándem alcanzaron el 11,1 % en 2012.

La región activa de un dispositivo orgánico consta de dos materiales: un donador de electrones y un aceptor de electrones. Cuando un fotón se convierte en un par electrón-hueco, generalmente en el material donador, las cargas tienden a permanecer ligadas en forma de excitón , separándose cuando el excitón se difunde hacia la interfaz donador-aceptor, a diferencia de la mayoría de los demás tipos de células solares. Las cortas longitudes de difusión de excitones de la mayoría de los sistemas poliméricos tienden a limitar la eficiencia de dichos dispositivos. Las interfaces nanoestructuradas, a veces en forma de heterouniones volumétricas, pueden mejorar el rendimiento. ^{[ 148 ]}

En 2011, investigadores del MIT y de la Universidad Estatal de Michigan desarrollaron células solares con una eficiencia energética cercana al 2% y una transparencia para el ojo humano superior al 65%, lograda mediante la absorción selectiva de las partes ultravioleta e infrarroja cercana del espectro con compuestos de moléculas pequeñas. ^{[ 149 ]}^{[ 150 ]} Investigadores de la UCLA desarrollaron más recientemente una célula solar de polímero análoga, siguiendo el mismo enfoque, que es 70% transparente y tiene una eficiencia de conversión de energía del 4%. ^{[ 151 ]}^{[ 152 ]}^{[ 153 ]} Estas células ligeras y flexibles pueden producirse en masa a bajo costo y podrían utilizarse para crear ventanas generadoras de energía.

En 2013, investigadores anunciaron celdas de polímero con una eficiencia de aproximadamente el 3%. Utilizaron copolímeros de bloque , materiales orgánicos autoensamblables que se organizan en capas distintas. La investigación se centró en el P3HT-b-PFTBT, que se separa en bandas de unos 16 nanómetros de ancho. ^{[ 154 ]}^{[ 155 ]}

Células adaptativas

Las células adaptativas modifican sus características de absorción/reflexión en función de las condiciones ambientales. Un material adaptativo responde a la intensidad y el ángulo de la luz incidente. En la parte de la célula donde la luz es más intensa, la superficie celular pasa de ser reflectante a adaptativa, permitiendo que la luz penetre en la célula. Las demás partes de la célula permanecen reflectantes, lo que aumenta la retención de la luz absorbida en su interior. ^{[ 156 ]}

En 2014, se desarrolló un sistema que combinaba una superficie adaptativa con un sustrato de vidrio que redirigía la luz absorbida hacia un absorbedor de luz en los bordes de la lámina. El sistema también incluye una matriz de lentes/espejos fijos para concentrar la luz en la superficie adaptativa. A medida que avanza el día, la luz concentrada se desplaza a lo largo de la superficie de la celda. Dicha superficie cambia de reflectante a adaptativa cuando la luz está más concentrada y vuelve a ser reflectante una vez que la luz se ha desplazado. ^{[ 156 ]}

Texturización de la superficie

Los rayos de luz incidentes sobre una superficie texturizada no se reflejan en el aire como ocurre sobre una superficie plana, sino que parte de la luz rebota hacia la otra superficie debido a su geometría, lo que aumenta la absorción de luz y la eficiencia de conversión de luz en electricidad. La texturización de superficies es una técnica utilizada para reducir las pérdidas ópticas, principalmente en células solares de película delgada de baja absorción de luz y bajo costo . En combinación con un recubrimiento antirreflectante , la técnica de texturización de superficies puede atrapar eficazmente los rayos de luz dentro de una célula solar de silicio de película delgada. En consecuencia, con la misma potencia de salida, el grosor de las células solares puede disminuir al aumentar la absorción de luz.

La geometría de la textura superficial y las técnicas de texturización se pueden realizar de múltiples maneras. El grabado de sustratos de c-Si puede producir pirámides de base cuadrada distribuidas aleatoriamente en la superficie utilizando grabadores anisotrópicos. ^{[ 157 ]} Los estudios muestran que las obleas de c-Si podrían grabarse para formar pirámides invertidas a nanoescala. En 2012, investigadores del MIT informaron que las películas de c-Si texturizadas con pirámides invertidas a nanoescala podían lograr una absorción de luz comparable a la de c-Si planar 30 veces más grueso. ^{[ 158 ]} Si bien son más fáciles de fabricar, pero con menor eficiencia, las células solares multicristalinas pueden texturizarse superficialmente mediante métodos de grabado isotópico o fotolitografía para producir una eficiencia de conversión de energía solar comparable a la de las células de silicio monocristalino. ^{[ 159 ]}^{[ 160 ]}

Este efecto de textura, así como la interacción con otras interfaces en el módulo fotovoltaico, es una tarea de simulación óptica compleja, pero al menos un método eficiente para el modelado y la optimización que existe es el formalismo OPTOS . ^{[ 161 ]}

Encapsulación

Las células solares suelen encapsularse en una resina polimérica transparente para proteger las delicadas regiones de la célula solar del contacto con la humedad, la suciedad, el hielo y otras condiciones ambientales propias de su funcionamiento. Los encapsulantes suelen estar hechos de acetato de polivinilo o vidrio. La mayoría de los encapsulantes presentan una estructura y composición uniformes, lo que aumenta la captación de luz gracias al atrapamiento de luz por reflexión interna total dentro de la resina. Se han realizado investigaciones para estructurar el encapsulante y así mejorar la captación de luz. Dichos encapsulantes incluyen superficies de vidrio rugosas, ^{[ 162 ]} elementos difractivos, ^{[ 163 ]} matrices de prismas, ^{[ 164 ]} prismas de aire, ^{[ 165 ]} ranuras en V, ^{[ 166 ]} elementos difusos, así como matrices de guías de onda multidireccionales. ^{[ 167 ]} Las matrices de prismas muestran un aumento general del 5% en la conversión total de energía solar. ^{[ 165 ]} Los conjuntos de guías de onda de banda ancha alineadas verticalmente proporcionan un aumento del 10 % en incidencia normal, así como una mejora de la recolección de gran ángulo de hasta un 4 %, ^{[ 168 ]} con estructuras optimizadas que producen un aumento de hasta un 20 % en la corriente de cortocircuito. ^{[ 169 ]} Los recubrimientos activos que convierten la luz infrarroja en luz visible han mostrado un aumento del 30 %. ^{[ 170 ]} Los recubrimientos de nanopartículas que inducen la dispersión de luz plasmónica aumentan la eficiencia de conversión de gran ángulo hasta un 3 %. También se han creado estructuras ópticas en materiales de encapsulación para "ocultar" eficazmente los contactos frontales metálicos. ^{[ 171 ]}^{[ 172 ]}

Fabricar

Calculadora antigua alimentada por energía solar

Las células solares comparten algunas técnicas de procesamiento y fabricación con otros dispositivos semiconductores y se utilizan comúnmente en calculadoras, relojes y para alimentar satélites en el espacio. ^{[ 173 ]} Sin embargo, los estrictos requisitos de limpieza y control de calidad de la fabricación de semiconductores son menos estrictos para las células solares, lo que reduce los costos.

Las obleas de silicio policristalino se fabrican cortando lingotes de silicio fundidos en bloques con un sierra de hilo, obteniendo obleas de entre 180 y 350 micrómetros de espesor. Generalmente, estas obleas están ligeramente dopadas con dopantes de tipo p . Se realiza una difusión superficial de dopantes de tipo n en la cara frontal de la oblea, lo que forma una unión ap-n a unos cientos de nanómetros por debajo de la superficie.

Posteriormente, se suelen aplicar recubrimientos antirreflectantes para aumentar la cantidad de luz que llega a la célula solar. El nitruro de silicio ha sustituido gradualmente al dióxido de titanio como material preferido, debido a sus excelentes propiedades de pasivación superficial. Evita la recombinación de portadores en la superficie de la célula. Se aplica una capa de varios cientos de nanómetros de espesor mediante deposición química en fase vapor asistida por plasma . Algunas células solares presentan superficies frontales texturizadas que, al igual que los recubrimientos antirreflectantes, aumentan la cantidad de luz que llega a la oblea. Estas superficies se aplicaron inicialmente al silicio monocristalino, y posteriormente al silicio multicristalino.

Se realiza un contacto metálico de área completa en la superficie posterior, y un contacto metálico en forma de rejilla compuesto por finos "dedos" y barras conductoras más grandes se imprime mediante serigrafía en la superficie frontal utilizando una pasta de plata . Esto representa una evolución del llamado proceso "húmedo" para la aplicación de electrodos, descrito por primera vez en una patente estadounidense presentada en 1981 por Bayer AG . ^{[ 174 ]} El contacto posterior se forma mediante la serigrafía de una pasta metálica. Para maximizar el área de superficie frontal disponible para la luz solar y mejorar la eficiencia de las células solares, los fabricantes utilizan diversas técnicas de electrodos de contacto posterior:

El contacto trasero del emisor pasivado (PERC) utiliza una superficie de contacto trasero de aluminio sólido y agrega una película de polímero para capturar la luz ^{[ 175 ].}
El contacto pasivado con óxido de túnel (TOPCon) utiliza un patrón de cuadrícula de barras colectoras traseras de plata cada vez más pequeñas y agrega una capa de oxidación a la película PERC para capturar más luz ^{[ 176 ]}^{[ 175 ]}^{[ 177 ].}
Contacto posterior interdigitado (IBC) ^{[ 178 ]}

La pasta se somete a un proceso de cocción a varios cientos de grados Celsius para formar electrodos metálicos en contacto óhmico con el silicio. Algunas empresas utilizan un paso adicional de galvanoplastia para aumentar la eficiencia. Una vez formados los contactos metálicos, las células solares se interconectan mediante cables planos o cintas metálicas y se ensamblan en módulos o paneles solares. Estos paneles tienen una lámina de vidrio templado en la parte frontal y una encapsulación de polímero o vidrio en la parte posterior.

Los distintos tipos de fabricación y reciclaje determinan en parte su eficacia para reducir las emisiones y generar un efecto ambiental positivo. ^{[ 52 ]} Estas diferencias y su eficacia podrían cuantificarse ^{[ 52 ]} para la producción de los tipos de productos más óptimos para diferentes propósitos en distintas regiones a lo largo del tiempo.

Fabricantes y certificación

Producción de células solares por región ^{[ 179 ]}

En Estados Unidos, el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) prueba y valida las tecnologías solares, y junto con ellos, tres grupos certifican los equipos solares: UL e IEEE (ambas normas estadounidenses) y la IEC .

El Informe Especial 2022 de la AIE destaca el dominio de China en la cadena de suministro de energía solar fotovoltaica , con una inversión que supera los 50.000 millones de dólares y la creación de alrededor de 300.000 puestos de trabajo desde 2011. China controla más del 80 % de todas las etapas de fabricación de paneles solares. Este control ha reducido drásticamente los costes, pero también ha generado problemas como desequilibrios entre la oferta y la demanda y limitaciones en la producción de polisilicio . No obstante, las políticas estratégicas de China han reducido los costes de la energía solar fotovoltaica en más del 80 %, aumentando su asequibilidad a nivel mundial. En 2021, las exportaciones chinas de energía solar fotovoltaica superaron los 30.000 millones de dólares. ^{[ 180 ]}

Para alcanzar los objetivos mundiales de energía y clima, se requiere una importante expansión de la fabricación de paneles solares fotovoltaicos, con el objetivo de superar los 630 GW para 2030, según la "Hoja de ruta para lograr cero emisiones netas en 2050" de la AIE. El dominio de China, que controla casi el 95 % de los componentes clave de los paneles solares fotovoltaicos y el 40 % de la producción mundial de polisilicio en Xinjiang, plantea riesgos de escasez de suministro y aumentos de costes. La demanda de minerales críticos, como la plata, podría superar el 30 % de la producción mundial de 2020 para 2030. ^{[ 180 ]}

En 2021, la participación de China en la producción de módulos solares fotovoltaicos alcanzó aproximadamente el 70%, un aumento con respecto al 50% de 2010. Otros productores clave fueron Vietnam (5%), Malasia (4%), Corea (4%) y Tailandia (2%), cuya capacidad de producción fue desarrollada en gran medida por empresas chinas orientadas a la exportación, especialmente a Estados Unidos. ^{[ 180 ]}

Porcelana

En septiembre de 2018, el sesenta por ciento de los módulos solares fotovoltaicos del mundo se fabricaban en China. ^{[ 181 ]} En 2021, la participación de China en la producción de módulos solares fotovoltaicos alcanzó aproximadamente el 70%. ^{[ 180 ]}

En 2022, China mantuvo su posición como el mayor productor mundial de módulos fotovoltaicos, con una cuota de mercado dominante del 77,8 %. En el primer semestre de 2023, la producción china de módulos fotovoltaicos superó los 220 GW, lo que supone un aumento de más del 62 % en comparación con el mismo periodo de 2022. ^{[ 182 ]}

En 2025, el sector de fabricación de paneles fotovoltaicos de China se enfrentó a un problema de exceso de capacidad . ^{[ 183 ]}

Vietnam

En 2022, Vietnam fue el segundo mayor productor de módulos fotovoltaicos, solo por detrás de China, con una capacidad de producción que alcanzó los 24,1 GW, lo que representa un aumento significativo del 47 % con respecto a los 16,4 GW producidos en 2021. Además, Vietnam representó el 6,4 % de la producción mundial de módulos fotovoltaicos en 2023. ^{[ 182 ]} Sin embargo, esta cifra descendió al 2,5 % en 2025, convirtiendo a Vietnam en el cuarto mayor productor mundial de módulos fotovoltaicos. ^{[ 184 ]}

Malasia

En 2022, Malasia fue el tercer mayor productor de módulos fotovoltaicos, con una capacidad de producción de 10,8 GW, lo que representó el 2,8 % de la producción mundial. Esto la situó por detrás de China, que dominó con el 77,8 %, y Vietnam, que contribuyó con el 6,4 %. ^{[ 182 ]}

Abastecimiento de materiales

Al igual que muchas otras tecnologías de generación de energía, la fabricación de células solares, especialmente su rápida expansión, tiene numerosas implicaciones ambientales y para la cadena de suministro. La minería global podría adaptarse y expandirse para obtener los minerales necesarios, que varían según el tipo de célula solar. ^{[ 185 ]}^{[ 186 ]} El reciclaje de paneles solares podría ser una fuente de materiales que de otro modo tendrían que extraerse. ^{[ 52 ]}

Despliegue

Porcelana

En mayo de 2018, la planta fotovoltaica más grande del mundo se encontraba en el desierto de Tengger, en China. ^{[ 187 ]} En 2018, China añadió más capacidad instalada fotovoltaica (en GW) que los siguientes 9 países juntos. ^{[ 188 ]}

Estados Unidos

La producción de energía solar en EE. UU. se duplicó entre 2013 y 2019. ^{[ 189 ]} Esto se debió primero a la caída del precio del silicio de calidad, ^{[ 190 ]}^{[ 191 ]}^{[ 192 ]} y luego simplemente a la drástica disminución del costo global de los módulos fotovoltaicos. ^{[ 187 ]}^{[ 193 ]} En 2018, EE. UU. agregó 10,8 GW de energía solar fotovoltaica instalada, un aumento del 21 %. ^{[ 188 ]}

América Latina

Latinoamérica se ha consolidado como una región prometedora para el desarrollo de la energía solar en los últimos años, con más de 10 GW de instalaciones en 2020. El mercado solar en Latinoamérica se ha visto impulsado por la abundancia de recursos solares, la disminución de los costos, las subastas competitivas y la creciente demanda de electricidad. Algunos de los países líderes en energía solar en Latinoamérica son Brasil, México, Chile y Argentina. Sin embargo, el mercado solar en Latinoamérica también enfrenta algunos desafíos, como la inestabilidad política, las brechas de financiamiento y los cuellos de botella en la transmisión de energía. ^{[ 194 ]}

Oriente Medio y África

Oriente Medio y África también han experimentado un crecimiento significativo en el despliegue de energía solar en los últimos años, con más de 8 GW instalados en 2020. El mercado solar en Oriente Medio y África se ha visto impulsado por la generación de energía solar a bajo costo, la diversificación de las fuentes de energía, la lucha contra el cambio climático y la electrificación rural. Algunos de los países más destacados en energía solar en Oriente Medio y África son Arabia Saudita, Emiratos Árabes Unidos, Egipto, Marruecos y Sudáfrica. Sin embargo, el mercado solar en Oriente Medio y África también enfrenta varios obstáculos, como disturbios sociales, incertidumbre regulatoria y barreras técnicas. ^{[ 195 ]}

Desecho

Las células solares se degradan con el tiempo y pierden eficiencia. En climas extremos, como desiertos o regiones polares, las células solares son más propensas a la degradación debido a la exposición a la intensa radiación UV y a las cargas de nieve, respectivamente. ^{[ 196 ]} Generalmente, se estima que los paneles solares tienen una vida útil de 25 a 30 años antes de su desmantelamiento. ^{[ 197 ]}

La Agencia Internacional de Energías Renovables estimó que la cantidad de residuos electrónicos de paneles solares generados en 2016 fue de entre 43.500 y 250.000 toneladas métricas. Se estima que esta cifra aumentará sustancialmente para 2030, alcanzando un volumen estimado de residuos de entre 60 y 78 millones de toneladas métricas en 2050. ^{[ 198 ]}

Reciclaje

Las células solares más utilizadas en el mercado son las células solares cristalinas. Un producto es verdaderamente reciclable si puede recuperarse. En el Acuerdo de París de 2016 , 195 países acordaron reducir sus emisiones de carbono, pasando de los combustibles fósiles a las fuentes de energía renovables. Por ello, la energía solar contribuirá significativamente a la generación de electricidad en todo el mundo. Así pues, habrá una gran cantidad de paneles solares para reciclar al final de su ciclo de vida. De hecho, muchos investigadores de todo el mundo han manifestado su preocupación por encontrar formas de utilizar las células de silicio tras su reciclaje. ^{[ 199 ]}^{[ 200 ]}^{[ 201 ]}^{[ 202 ]}

Además, estas celdas contienen elementos/compuestos peligrosos, como plomo (Pb), cadmio (Cd) o sulfuro de cadmio (CdS), selenio (Se) y bario (Ba) como dopantes, además de los valiosos silicio (Si), aluminio (Al), plata (Ag) y cobre (Cu). Si estos elementos/compuestos nocivos no se eliminan con la técnica adecuada, pueden tener graves efectos perjudiciales tanto para la vida humana como para la fauna silvestre. ^{[ 203 ]}

Hay varias formas de reciclar el c-Si. Principalmente se utilizan métodos de separación térmica y química. Esto ocurre en dos etapas ^{[ 204 ].}

Separación de células solares fotovoltaicas: en la deslaminación térmica, se elimina el etileno vinil acetato (EVA) y se separan materiales como vidrio, Tedlar®, marco de aluminio, acero, cobre y plásticos;
Limpieza de la superficie de las células solares fotovoltaicas: se eliminan las capas no deseadas (capa antirreflectante, recubrimiento metálico y semiconductor p-n) de las células solares de silicio separadas de los módulos fotovoltaicos; como resultado, se puede recuperar el sustrato de silicio, apto para su reutilización.

La primera planta de reciclaje de paneles solares abrió sus puertas en Rousset, Francia, en 2018. Su objetivo era reciclar 1300 toneladas de residuos de paneles solares al año, y puede aumentar su capacidad a 4000 toneladas. ^{[ 205 ]}^{[ 206 ]}^{[ 207 ]} Si el reciclaje se rige únicamente por los precios del mercado, en lugar de también por las regulaciones ambientales, los incentivos económicos para el reciclaje siguen siendo inciertos y, a partir de 2021, el impacto ambiental de los diferentes tipos de técnicas de reciclaje desarrolladas aún debe cuantificarse. ^{[ 52 ]}

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Aplicaciones

Aplicaciones vehiculares

Celdas, módulos, paneles y sistemas

Espacio

Historia

Métodos de fabricación mejorados después de la década de 1960.

Investigación y producción industrial después de la década de 1970.

Disminución de los costos y crecimiento exponencial de la capacidad

Subvenciones y paridad de red

Teoría

Eficiencia

Materiales

Silicio cristalino

silicio monocristalino

Desarrollo del silicio epitaxial

silicio policristalino

Silicona en cinta

Mono-like-multi silicio (MLM)

Película delgada

telururo de cadmio

seleniuro de cobre, indio y galio

película delgada de silicio

película delgada de arseniuro de galio

Células de unión múltiple

Celdas solares de doble unión GaInP/Si

Investigación en células solares

células solares de perovskita

Celdas solares bifaciales

Banda intermedia

tintas líquidas

Conversión ascendente y descendente

Tintes que absorben la luz

Puntos cuánticos

Celdas solares orgánicas/poliméricas

Células adaptativas

Texturización de la superficie

Encapsulación

Fabricar

Fabricantes y certificación

Porcelana

Vietnam

Malasia

Abastecimiento de materiales

Despliegue

Porcelana

Estados Unidos

América Latina

Oriente Medio y África

Desecho

Reciclaje

Véase también

Referencias

Bibliografía

Enlaces externos