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Células fotovoltaicas: Qué son y cómo funcionan

Las células fotovoltaicas son el elemento básico para la producción de electricidad. Descubre cuáles son sus características y cómo funcionan

Un sistema fotovoltaico se caracteriza por un conjunto de paneles solares, colocados en serie o en paralelo; en la base de los paneles se encuentran las células fotovoltaicas.

Veamos juntos qué son y cómo funcionan los elementos básicos de un sistema fotovoltaico.

El diseño de un sistema fotovoltaico es una operación muy delicada, que debe llevarse a cabo con especial cuidado y atención. Para evitar cometer errores que podrían costarte caro después de la construcción del sistema, te aconsejo que uses un Software para el Cálculo de Instalación Fotovoltaica eficaz para realizarlos de forma segura y guiada.

Definición de células fotovoltaicas

Las células (o celdas) fotovoltaicas son el elemento básico en la producción de electricidada través de la energía solar. Estas pueden estar hechas de varios materiales; el semiconductor más utilizado y de mayor rendimiento es el silicio.

El silicio tiene una característica importante. Una cantidad mínima de energía es suficiente para que los electrones de valencia se puedan aprovechar para generar una corriente eléctrica.

Para aprovechar el paso de los electrones de la banda de valencia a la banda de conducción, se aplica el dopaje, el fenómeno por el cual se insertan impurezas dentro del semiconductor. Dichas impurezas son el boro para la carga negativa y el fósforo para la carga positiva.

Dopaje de silicio tetravalente

Dopaje de silicio tetravalente

Después de la solidificación, estos sistemas se colocan uno cerca del otro mediante una unión neutra, parte positiva con la negativa. Luego, en el punto donde está la conexión, se mantiene una carga nula. Con este mecanismo se crea un sistema cargado positivamente por un lado y negativamente por otro, obteniendo una pila.

Tipos de células fotovoltaicas

Las células o celdas solares varían según el cristal que las caracteriza:

  • monocristalinas;
  • policristalinas;
  • amorfas.
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Tipos de célula fotovoltaica

Células fotovoltaicas monocristalinas

Consisten en un solo cristal, orientado en la misma dirección. Esta característica permite aprovechar al máximo la energía solar que la célula puede captar. El color es típicamente negro.

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 silicio fundido, dentro del cual la semilla gira verticalmente en sentido contrario a las agujas del reloj y, al sumergirse muy lentamente, hace que el silicio fundido pueda cristalizarse de forma ordenada sobre la semilla que se está sumergiendo.

Célula fotovoltaica monocristalina

Célula fotovoltaica monocristalina

Al final del proceso, todos los cristales están orientados de manera homogénea para materializar un solo macro cristal y dar vida a un lingote de silicio.

Se está hablando de la estructura básica. De hecho, este cristal puede ser posteriormente dopado positiva o negativamente con Boro o con Fósforo.

El lingote obtenido debe cortarse en rodajas (wafer) muy finas con un grosor de unos pocos cientos de micrómetros, es decir, una milésima de milímetro. Esto es fundamental, ya que, cuanto menor sea el grosor, mayor será la eficiencia de la célula.

Lingote de silicio monocristalino

Lingote de silicio monocristalino

Realizados los wafer, positivos o negativos, se colocarán sobre el plano que darán vida a la célula fotovoltaica.

Células fotovoltaicas policristalinas

Se fabrican a partir de residuos de la industria electrónica. Además, están formadas por varios cristales y su coloración típica es azul iridiscente.

Células policristalinas

Células policristalinas

En este caso, el enfriamiento se realiza en un baño termostático, de forma unidireccional de un extremo a otro, a través de un gradiente técnico. El proceso se lleva a cabo lentamente, pero más rápido que con el método de las células monocristalinas.

La rapidez en la realización tiene ventajas energéticas y económicas. El lingote realizado tiene un coste de producción más bajo, sin embargo, la orientación del cristal es más desordenada y no permite aprovechar al máximo la energía solar incidente.

El último proceso implica el depósito de filamentos metálicos para recoger los electrones en la parte cargada negativamente, a partir de los cuales se crearán los diversos módulos.

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Detalle de célula policristalina

Células fotovoltaicas amorfas

Con respecto a estas células, tienen una estructura más caótica que la del silicio. Además, en esta configuración, ya no tiene forma cristalina. La estructura del silicio amorfo se puede aprovechar para la realización de una película delgada, es decir, para crear elementos con dimensión muy fina, adaptados a superficies que no son perfectamente planas.

Se utilizan en el campo de la integración arquitectónica, mobiliario urbano o elementos estructurales de edificios.

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

En este proceso, las tecnologías utilizadas principalmente son la tecnología triple junction y la tecnología cadmium-telluride/cadmium-sulfide (CTS).

Célula fotovoltaica amorfa

Célula fotovoltaica amorfa

Funcionamiento de una célula fotovoltaica

Para que una célula fotovoltaica sea energéticamente productiva, es necesario conectarla a dos instrumentos de medición, es decir, 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 propio voltímetro y garantizar la medición del rendimiento de la célula independientemente de los sistemas externos.

Dentro del circuito, también se coloca una carga eléctrica que afecta el rendimiento de la célula. Dependiendo de la carga, varía la intensidad y el voltaje de la corriente eléctrica producida.

Célula fotovoltaica

Célula fotovoltaica

Además, en función de la carga introducida, se puede distinguir entre circuito cerrado y circuito abierto. A estas dos condiciones se asocian dos valores de referencia que sirven para entender el rendimiento de la célula.

Para el circuito abierto, en el amperímetro se mide una corriente nula, no existiendo ningún contacto eléctrico, mientras que la tensión presentará el valor máximo que la célula puede producir. Este valor se llama tensión de circuito abierto (Voc).

En el circuito cerrado se tiene la carga mínima y la corriente es máxima, siendo inversamente proporcional a la carga eléctrica. La corriente máxima que se puede producir en estos casos se denomina intensidad de corriente de circuito cerrado (Isc); a esta corriente se asocia una tensión nula.

Reportando estos valores en un diagrama llamado «CURVA V-I«, curva característica de una célula fotovoltaica o curva voltamperométrica, es posible comprender la eficiencia de una célula fotovoltaica y, por lo tanto, de un panel solar, a través de 4 parámetros fundamentales:

  • intensidad pico;
  • tensión pico;
  • potencia pico;
  • fill factor.

Más precisamente, se disponen en las abscisas los valores de tensión y en las ordenadas los valores de intensidad eléctrica.

Factores discriminantes de una célula fotovoltaica

Factores discriminantes de una célula fotovoltaica

Funcionamiento de las células según las disposiciones

Las células fotovoltaicas son diodos y se comportan como baterías. Se pueden conectar en serie o en paralelo. La conexión en serie, obtenida conectando el lado positivo de una célula con el negativo de otra, genera una tensión doble (suma de las dos), mientras que la intensidad eléctrica permanece constante.

Lo mismo ocurre en la curva amperométrica. Al conectar las células en serie, la curva presenta un aumento de abscisas (tensión).

Para variar la intensidad de corriente, en cambio, es necesario conectar las células en paralelo. De esta manera, conectando los electrodos positivos con aquellos positivos y los electrodos negativos con aquellos negativos, se obtiene un voltaje constante, mientras que la intensidad de corriente aumenta y la curva amperimétrica se desplaza hacia arriba.

Las celdas fotovoltaicas también se ven afectadas por la temperatura, lo que puede comprometer su rendimiento. Específicamente, si la temperatura alcanza ciertos valores, hay una disminución brusca de la tensión. Las altas temperaturas pueden comprometer la eficiencia de los enlaces y disminuir el rendimiento.

Incluso a medida que cambia la radiación solar incidente, hay un cambio en la curva. Específicamente, a medida que disminuye la radiación solar incidente, la intensidad eléctrica disminuye significativamente y la curva tiende a aplastarse, mientras que los valores de voltaje no cambian mucho.

Por lo tanto, en los análisis anteriores a la instalación de módulos fotovoltaicos, es esencial referirse a los datos climáticos concretos encontrados por los atlas solares o mediciones en el campo, posiblemente utilizando un Software para el Cálculo de Instalación Fotovoltaica específico que te proporcionará datos reales de la radiación solar tomados de las principales bases de datos climáticos de referencia.

Células fotovoltaicas en módulos fotovoltaicos

Las células fotovoltaicas se conectan dando lugar a módulos fotovoltaicos que, a su vez, se conectan entre sí, formando el sistema fotovoltaico. En esta conexión, los módulos pueden estar dispuestos en diferentes cadenas y grupos. Dependiendo de cómo se conecten entre sí, pueden aumentar en intensidad o tensión.

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Células fotovoltaicas: configuración 2 cadenas de 3 módulos cada una

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Células fotovoltaicas: configuración 3 cadenas de 2 módulos cada una

Una vez establecida la potencia a instalar, se puede decidir producirla con un número variable de módulos. La elección de la disposición y de la potencia se puede determinar en función del valor de radiación solar del lugar y de la exposición del módulo.

Una vez más, un software para el Cálculo de Instalación Fotovoltaica puede ayudarte a elegir el número correcto de módulos en función de los criterios de diseño definidos para maximizar la producción anual o la potencia máxima.

Además, estos programas disponen de librerías específicas de módulos, inversores, baterías y componentes fotovoltaicos, fundamentales para un diseño correcto.
 

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