Células fotovoltaicas: Qué son y cómo funcionan

Las células fotovoltaicas, dispositivos semiconductores capaces de transformar la luz solar en energía eléctrica gracias al efecto fotovoltaico, representan la unidad fundamental de cada sistema fotovoltaico.

Una instalación fotovoltaica se caracteriza por un conjunto de paneles solares, dispuestos en serie o en paralelo; en la base de cada panel se encuentran precisamente las células fotovoltaicas, responsables de la conversión de la radiación solar en electricidad.

Descubramos juntos qué son y cómo funcionan los elementos básicos de una instalación fotovoltaica.

El proyecto de una instalación fotovoltaica es una operación muy delicada, que debe realizarse con especial cuidado y atención. Para evitar cometer errores que podrían costarte caro después de la realización de la instalación, te aconsejo que confíes en un eficaz software fotovoltaico para diseñar instalaciones de manera segura y guiada.

¿Qué son las células fotovoltaicas?

Las células fotovoltaicas son el elemento base en la producción de energía eléctrica a través de la energía solar. Pueden ser fabricadas con diferentes materiales, pero el semiconductor más común y efectivo es el silicio.

El silicio tiene una característica importante: basta un mínimo cuantitativo de energía para que los electrones de valencia puedan ser aprovechados para generar una corriente eléctrica.

Para aprovechar este fenómeno se recurre al llamado drogado, es decir, la inserción de impurezas dentro del semiconductor. Por lo general, se utilizan boro (carga negativa) y fósforo (carga positiva), que crean una barrera conocida como zona de unión. Es precisamente gracias a esta unión p-n que se forma el diodo, elemento indispensable para transformar la luz solar en energía eléctrica utilizable.

Dopaje de silicio tetravalente

Funcionamiento de una célula fotovoltaica

Para verificar la eficiencia de una célula fotovoltaica, es necesario conectarla a dos instrumentos de medida, a saber, el amperímetro, que mide la corriente eléctrica y el voltímetro, que mide la tensión.

En un circuito eléctrico, los dos instrumentos se colocan en paralelo para evitar que el amperímetro mida la resistencia eléctrica presente dentro del voltímetro mismo y garantizar la medición del rendimiento de la célula independientemente de los sistemas externos.

Célula fotovoltaica

En el interior del circuito se introduce también una carga eléctrica, que condiciona el rendimiento de la célula: en función de la carga, varían tanto la intensidad como la tensión de la corriente producida. En estas condiciones se distinguen dos casos principales:

• circuito abierto: la corriente es nula (no hay contacto eléctrico), mientras que la tensión alcanza el valor máximo que la célula puede producir (Voc – tensión de circuito abierto);
• circuito cerrado: la carga es mínima y la corriente es máxima (Isc – corriente de cortocircuito), mientras que la tensión es cercana a cero.

La representación gráfica de estos valores genera la curva característica V-I (o curva voltamperométrica), de la que se obtienen parámetros fundamentales como:

• intensidad de pico;
• tensión de pico;
• potencia de pico;
• factor de llenado.

Otro parámetro muy importante es el punto de máxima potencia (MPP), que representa la condición óptima de funcionamiento de la célula. En las instalaciones reales, la tarea de seguir continuamente este punto recae en los inversores equipados con tecnología MPPT (Maximum Power Point Tracking).

Factores discriminantes de una célula fotovoltaica

Estructura y materiales de una célula fotovoltaica

Una célula fotovoltaica está compuesta por múltiples capas de materiales que, en conjunto, permiten convertir la luz solar en energía eléctrica:

• capa frontal transparente: generalmente vidrio templado, protege la célula de los agentes atmosféricos y deja pasar la radiación solar;
• capa antirreflectante: reduce la dispersión de la luz, maximizando la absorción;
• capa semiconductor: generalmente silicio, es el corazón de la célula. Aquí ocurre el efecto fotovoltaico gracias a la unión p-n creada por el dopaje;
• contactos metálicos: delgadas rejillas conductoras depositadas en la superficie frontal y posterior, que recogen los electrones generando la corriente eléctrica;
• capa posterior: a menudo compuesta de materiales plásticos o metálicos, garantiza aislamiento y protección mecánica.

En los últimos años también se han desarrollado nuevos materiales como las perovskitas, que prometen aumentar la eficiencia y reducir los costos, aunque aún se encuentran en fase de investigación y experimentación.

Tipos de células fotovoltaicas y sus características

Las células fotovoltaicas se distinguen principalmente según la estructura del silicio con el que están fabricadas. Las tipologías más comunes son:

• células monocristalinas;
• células policristalinas;
• células amorfas.

Tipos de célula fotovoltaica

Células fotovoltaicas monocristalinas

Las células monocristalinas están constituidas por un único cristal, orientado en la misma dirección. Esta característica permite aprovechar al máximo la energía solar que la célula logra captar. La coloración de estas células es típicamente negra.

El sistema adoptado para producir las células monocristalinas es el sistema Czochralski. Se trata de un proceso en el que una semilla de cristal se inserta en un fundido de silicio, dentro del cual la semilla gira verticalmente en sentido antihorario y, sumergiéndose muy lentamente, hace que el fundido mismo pueda cristalizarse de manera ordenada sobre la semilla que se está sumergiendo.

Célula fotovoltaica monocristalina

Al final del proceso, todos los cristales están orientados de manera homogénea, materializando un único macro cristal y dando vida a un lingote de silicio.

El lingote se corta luego en obleas delgadas, con un grosor de solo unas pocas centenas de micrómetros: cuanto menor es el grosor, mayor es la eficiencia de la célula. Finalmente, las obleas se dopan adecuadamente (con boro o fósforo) y se ensamblan para formar la célula fotovoltaica.

Estas células son las más eficientes (15–22%) y tienen una larga duración, pero también costos de producción más elevados.

Lingote de silicio monocristalino

Células fotovoltaicas policristalinas

Las células policristalinas se obtienen de los desechos de la industria electrónica; están formadas por varios cristales y su coloración típica es la del azul cambiante.

Células policristalinas

El enfriamiento ocurre más rápidamente en comparación con el monocristalino, en un baño termostático que cristaliza el silicio en direcciones diferentes. Esto permite un proceso productivo más rápido y económico, pero con un rendimiento ligeramente inferior (12–18%), debido a la orientación desordenada de los cristales.

Son muy comunes porque ofrecen un buen compromiso entre precio y rendimiento.

Detalle de célula policristalina

Células fotovoltaicas amorfas (a película delgada)

Las células fotovoltaicas amorfas presentan una estructura más caótica del silicio que, en esta configuración, ya no tiene forma cristalina.

Esta característica permite la realización de células a película delgada, extremadamente delgadas y flexibles, que pueden ser aplicadas incluso sobre superficies no perfectamente planas.

El proceso de creación de la célula amorfa es muy simple: sobre un sustrato rígido (vidrio o metal) se depositan con tecnologías adecuadas (sputtering o evaporación) más capas de material, dos de estas capas (las más externas) se convierten en electrodos de conducción, mientras que la capa interna se convierte en la unión de la célula fotovoltaica.

En este proceso, las tecnologías principalmente utilizadas son la tecnología triple unión y la tecnología cadmio-telururo/cadmio-sulfuro (CTS).

Las células amorfas tienen una eficiencia más baja (6–12%) y una duración inferior, pero son muy versátiles y encuentran empleo en la integración arquitectónica (fachadas, techos curvos, mobiliario urbano) y en dispositivos portátiles.

Para profundizar en las diferencias entre las varias tecnologías puedes consultar también este artículo sobre tipos de instalación fotovoltaica.

Célula fotovoltaica amorfa

Configuraciones en serie y en paralelo en los módulos fotovoltaicos

Las células fotovoltaicas son diodos y se comportan como pilas. Pueden ser conectadas en serie o en paralelo.

• En la conexión en serie (positivo con negativo), las tensiones se suman y la corriente permanece constante. La curva característica muestra un incremento en el eje de las tensiones.
• En la conexión en paralelo (positivos con positivos y negativos con negativos), la tensión se mantiene constante mientras aumenta la corriente. En este caso, la curva se traslada hacia arriba.

Además de las configuraciones, las condiciones ambientales también influyen en el rendimiento de las células:

• temperatura: si la temperatura aumenta más allá de ciertos valores, se registra una disminución de la tensión, con consiguiente pérdida de eficiencia. Esta es una de las razones por las que los módulos fotovoltaicos son probados con coeficientes de temperatura declarados por los fabricantes;
• radiación solar: al disminuir la irradiación, la intensidad de corriente se reduce significativamente mientras que la tensión varía poco; la curva tiende así a aplanarse.

Para diseñar correctamente una instalación es esencial basarse en datos climáticos fiables, como los proporcionados por atlantes solares o por campañas de medición en el campo. En este contexto, son muy útiles los software de diseño fotovoltaico, que permiten calcular la producción esperada teniendo en cuenta la irradiación solar real, disponible en las principales bases de datos meteorológicas internacionales.

De la célula individual al módulo solar: cómo se construyen los paneles

Las células fotovoltaicas se conectan entre sí dando vida a paneles fotovoltaicos, los cuales, a su vez, se conectan entre sí constituyendo la instalación fotovoltaica.

Cada panel está formado por decenas de células conectadas eléctricamente en serie y encerradas en una estructura compuesta por vidrio protector, capas encapsulantes y marcos de aluminio, que garantizan resistencia mecánica y durabilidad en el tiempo.

En tal conexión, los paneles pueden ser dispuestos en diferentes cadenas que eventualmente se conectan en paralelo entre sí. Esta configuración permite obtener la tensión y la corriente necesarias para satisfacer las necesidades del proyecto.

Una vez establecida la potencia a instalar, se puede decidir producirla con un número variable de paneles. La elección depende de varios factores:

• radiación solar disponible en la zona de instalación;
• orientación e inclinación de los módulos;
• espacio disponible y restricciones arquitectónicas.

Células fotovoltaicas: configuración 2 cadenas de 3 módulos cada una

Células fotovoltaicas: configuración 3 cadenas de 2 módulos cada una

Cómo las células fotovoltaicas generan electricidad a partir de la luz solar

El funcionamiento de las células fotovoltaicas se basa en el llamado efecto fotovoltaico, un fenómeno físico descubierto en el siglo XIX y que hoy se utiliza para producir energía eléctrica limpia.

Cuando la luz solar impacta en la capa de silicio de la célula, los fotones transmiten su energía a los electrones presentes en el semiconductor. Esta energía es suficiente para liberar a los electrones de los enlaces atómicos, permitiéndoles moverse.

La presencia de la unión p-n, creada mediante dopaje, hace que los electrones libres se dirijan hacia un lado de la célula, mientras que las lagunas (cargas positivas) se desplazan hacia el otro. Este movimiento genera una diferencia de potencial entre las dos capas.

Conectando los contactos metálicos a un circuito externo, los electrones pueden fluir: así nace la corriente eléctrica continua.

En una instalación fotovoltaica real, la corriente producida por las células se canaliza y transforma mediante el inversor en corriente alterna, compatible con la red eléctrica y con los usos domésticos o industriales.

La eficiencia con la que la célula convierte la radiación solar en electricidad depende de varios factores: calidad de los materiales, espesor del semiconductor, temperatura de funcionamiento e intensidad de la luz. Herramientas como el diagrama solar ayudan a los diseñadores a estudiar la irradiación disponible y a posicionar mejor los paneles para maximizar su producción.

Ventajas y desventajas de las células fotovoltaicas

Las células fotovoltaicas son hoy una de las tecnologías más difundidas para la producción de energía renovable, gracias a los numerosos beneficios que ofrecen. Sin embargo, también presentan algunos límites que es importante considerar en la fase de diseño e instalación.

Ventajas

• energía limpia y sostenible: no producen emisiones contaminantes durante su funcionamiento y contribuyen a la reducción de gases de efecto invernadero;
• ahorro económico a largo plazo: la inversión inicial se recupera a través del ahorro en la factura y, en algunos casos, con incentivos y deducciones fiscales;
• bajo mantenimiento: las células fotovoltaicas no tienen partes en movimiento y requieren solo limpiezas periódicas y controles de rutina;
• escalabilidad: es posible instalar pocos módulos para pequeñas necesidades o grandes instalaciones para producir energía a gran escala;
• integración arquitectónica: con tecnologías de película delgada o flexibles, los módulos pueden integrarse en fachadas, techos e incluso elementos urbanos de diseño.

Desventajas

• dependencia de la radiación solar: la producción de energía varía según las condiciones atmosféricas y la irradiación disponible;
• costo inicial: aunque en constante disminución, la inversión inicial puede ser significativa, especialmente para instalaciones de gran tamaño;
• eficiencia limitada: las células actuales transforman en electricidad solo una parte de la radiación solar incidente (promediadamente 15–22% para los módulos de silicio cristalino);
• degradación con el tiempo: el rendimiento disminuye progresivamente con la edad de los módulos, aunque los fabricantes suelen garantizar al menos el 80% de la potencia después de 20–25 años;
• eliminación y reciclaje: los paneles al final de su vida útil contienen materiales que deben ser recuperados y eliminados de manera correcta, un desafío aún en evolución.

Células fotovoltaicas flexibles y nuevas tecnologías

Junto a las soluciones tradicionales en silicio cristalino, en los últimos años se han desarrollado nuevas generaciones de células fotovoltaicas, con características innovadoras y aplicaciones cada vez más versátiles.

Células fotovoltaicas flexibles

Estas células utilizan materiales delgados y ligeros, como el silicio amorfo o compuestos semiconductores alternativos (por ejemplo, teluro de cadmio o seleniuro de cobre-indio-galio, CIGS). Su principal característica es la flexibilidad, que las hace adecuadas para:

• superficies curvas o irregulares;
• aplicaciones móviles (toldos, caravanas, barcos, dispositivos portátiles);
• integración arquitectónica innovadora, como cubiertas ligeras o fachadas transparentes.

Tienen aún una eficiencia más baja en comparación con las células de silicio cristalino, pero la investigación apunta a mejorar su rendimiento y durabilidad.

Células de nueva generación

Además de las células flexibles, la investigación está explorando nuevas tecnologías:

• células de perovskita: materiales económicos, fáciles de producir y con un potencial de eficiencia muy alto (>25%). Actualmente están en fase experimental debido a problemas de estabilidad y duración;
• células tándem: combinan más de un material (por ejemplo, perovskita + silicio) para capturar diferentes longitudes de onda de la luz solar, aumentando así la eficiencia;
• células orgánicas (OPV): realizadas con polímeros conductores, ligeras y potencialmente imprimibles, ideales para aplicaciones de diseño y dispositivos electrónicos.

Estas innovaciones abren el camino a un futuro en el que los paneles solares no serán solo elementos estandarizados, sino componentes integrables en cualquier superficie o producto tecnológico.

Cómo optimizar el diseño de una instalación fotovoltaica

El diseño de una instalación fotovoltaica no se limita a la elección de las células o paneles: requiere un estudio cuidadoso de las condiciones climáticas, de la orientación, de la inclinación y de las necesidades energéticas del edificio o instalación.

En este contexto, los software de diseño fotovoltaico se convierten en herramientas fundamentales. Permiten:

• calcular la producción energética esperada en función de los datos reales de irradiación;
• simular diferentes configuraciones para la orientación y la inclinación de los módulos;
• identificar el impacto de posibles sombras;
• dimensionar correctamente inversores y sistemas de almacenamiento;
• evaluar la viabilidad económica de la intervención.

El uso del software fotovoltaico no es solo un soporte técnico, sino también un aliado para tomar decisiones más informadas, reducir los márgenes de error y realizar instalaciones realmente eficientes y sostenibles. Para los profesionales, significa poder diseñar soluciones personalizadas, confiables y de alto rendimiento. Con un software fotovoltaico profesional puedes diseñar de manera simple y rápida, optimizar el rendimiento de las instalaciones, reducir costos y ofrecer a tus clientes soluciones confiables y competitivas para la transición energética. Además, dicho software cuenta con bibliotecas específicas de módulos, inversores, baterías y componentes fotovoltaicos, fundamentales para el correcto diseño.

FAQ – Células fotovoltaicas

¿Qué es una célula fotovoltaica?

Una célula fotovoltaica es un dispositivo semiconductor que transforma la luz solar en energía eléctrica aprovechando el efecto fotovoltaico. Representa la unidad fundamental de los paneles solares y es el elemento base de cada instalación fotovoltaica.

¿Cómo funcionan las células fotovoltaicas?

El funcionamiento de las células fotovoltaicas se basa en el efecto fotovoltaico. Cuando la luz solar impacta el silicio de la célula, los fotones transfieren energía a los electrones del semiconductor, liberándolos de los enlaces atómicos. La presencia de la unión p-n, creada mediante el dopaje del silicio, genera una diferencia de potencial que pone en movimiento a los electrones. Al conectar los contactos metálicos a un circuito externo se genera corriente eléctrica continua.

¿Cuáles son los principales tipos de células fotovoltaicas?

Las células fotovoltaicas se distinguen principalmente en función de la estructura del silicio utilizado. Las tipologías más comunes son:

• células monocristalinas, constituidas por un único cristal de silicio;
• células policristalinas, formadas por varios cristales;
• células amorfas o de película delgada, caracterizadas por una estructura no cristalina y mayor flexibilidad.

Estas tecnologías presentan características diferentes en términos de eficiencia, costo y aplicaciones.

¿Cuál es la eficiencia de las células fotovoltaicas?

La eficiencia de las células fotovoltaicas indica la capacidad de convertir la radiación solar en energía eléctrica. Este valor depende de varios factores, incluyendo la calidad de los materiales, el grosor del semiconductor, la temperatura de funcionamiento y la intensidad de la luz solar.

Las tecnologías más comunes presentan valores de eficiencia diferentes:

• células monocristalinas: 15–22%
• células policristalinas: 12–18%
• células de película delgada: 6–12%

Las células monocristalinas son generalmente las más eficientes, mientras que las células de película delgada tienen rendimientos inferiores, pero ofrecen mayor flexibilidad y versatilidad de aplicación.

¿Cuál es la diferencia entre célula fotovoltaica y panel fotovoltaico?

La célula fotovoltaica es el único dispositivo semiconductor que produce energía eléctrica a partir de la luz solar. El panel fotovoltaico, o módulo fotovoltaico, está compuesto por un conjunto de células conectadas eléctricamente entre sí y encerradas en una estructura protectora formada por vidrio, capas encapsulantes y un marco de aluminio. Varios paneles conectados entre sí constituyen una instalación fotovoltaica.

¿Cómo se conectan las células fotovoltaicas entre sí?

Las células fotovoltaicas pueden conectarse en serie o en paralelo. En la conexión en serie, las tensiones se suman mientras que la corriente permanece constante. En la conexión en paralelo, la tensión se mantiene constante mientras aumenta la corriente.
Estas configuraciones permiten obtener los valores de tensión y corriente necesarios para el funcionamiento de los módulos y de la instalación fotovoltaica.

¿Qué factores influyen en el rendimiento de las células fotovoltaicas?

El rendimiento de las células fotovoltaicas está influenciado principalmente por:

• temperatura, que puede reducir la tensión y por lo tanto la eficiencia de la célula;
• irradiación solar, que influye directamente en la corriente producida;
• calidad de los materiales semiconductores y estructura de la célula.

Por esta razón, en el diseño de una instalación fotovoltaica es importante considerar datos climáticos confiables y utilizar herramientas de simulación para estimar la producción energética.