Efecto Fotovoltaico
Efecto Fotovoltaico
Efecto Fotovoltaico
El efecto fotovoltaico consiste en convertir la luz solar en energía eléctrica por medio
de las células fotovoltaicas. Estas células son unos dispositivos semiconductores
elaborados a base de silicio puro con adición de impurezas de ciertos elementos
químicos. Las células fotovoltaicas son capaces de generar electricidad en corriente
contínua, utilizando como fuente la radiación solar.
Las células se montan en serie sobre paneles fotovoltaicos o módulos solares para
conseguir un voltaje adecuado. Parte de la radiación incidente se pierde por
reflexión (rebota) y otra parte por transmisión (atraviesa la célula). El resto es capaz
de hacer saltar electrones de una capa a la otra creando una corriente proporcional
a la radiación incidente.
Cada electrón liberado deja atrás un agujero, o espacio libre, hasta que lo ocupe un
electrón que ha saltado de otro átomo. Estos movimientos de los electrones
liberados o de los espacios que dejan atrás es lo que se llaman cargas eléctricas.
Esta corriente de cargas puede alcanzar los contactos y salir del material con el fin
de realizar un trabajo útil. Para que esto suceda de manera constante y regular, es
necesario que exista la presencia de un campo eléctrico de polaridad constante.
Este campo polariza las partículas y actúa como una verdadera bomba que impulsa
los electrones en un sentido y, los hoyos, en el opuesto.
En las células solares convencionales, el campo eléctrico (0,5 V) se forma gracias a
una unión P-N, es decir, una zona del material tiene exceso de electrones (carga
negativa), mientras que la otra tiene carencia de ellos (carga positiva), de modo que
al ser liberado un electrón es impulsado a través del material hasta los conductos de
plata, de baja resistividad.
Cada material semiconductor tiene una energía mínima que permite liberar
electrones de sus átomos. Esta energía corresponderá a fotones de una
determinada banda de frecuencias (gap) que irá desde los asociados a la
ultravioleta hasta los colores visibles, salvo del rojo que ya tiene una energía
asociada inferior de los 1,2 electronvoltios.
No todos los fotones alcanzan el objetivo de separar electrones. Esto se debe a que
atravesar el material implica siempre una cierta pérdida energética. Esta pérdida
energética implica que en el momento de la colisión algunos fotones ya han perdido
la demasiada energía para desplazar un electrón. Estas pérdidas por no-absorción
sólo dependen de las propiedades del material y son inevitables.
Sólo se consigue la generación de un par electrón-hueco por cada fotón con energía
cinética superior a la mínima energía (gap) que logre penetrar en el material y tope
con un electrón de valencia.
Resumen
La energía solar es una fuente de energía renovable, esencialmente no
contaminante y prácticamente ilimitada a nivel humano. Su aprovechamiento puede
realizarse convirtiendo la radiación electromagnética proveniente del Sol en calor
(conversión fototérmica) o directamente en electricidad utilizando el efecto
fotovoltaico. El elemento básico de la generación fotovoltaica es el módulo
fotovoltaico, que junto con otros componentes mecánicos (estructuras soporte) y
eléctricos (inversores de corriente continua a alterna, baterías, reguladores, etc.)
constituyen el sistema fotovoltaico. En este capítulo, se presentan distintos aspectos
concernientes a la energía solar fotovoltaica, así como su inserción en el marco de
las diferentes fuentes de energía utilizadas para la generación de electricidad. Se
analizan la evolución del mercado fotovoltaico a nivel global y regional, su
competitividad económica y perspectivas de penetración, y su desempeño ambiental
durante el ciclo de vida. Asimismo, se presenta la distribución en el mercado de las
diferentes tecnologías fotovoltaicas. Finalmente, se hace una breve reseña de la
situación de la generación fotovoltaica en la Argentina en lo referido a evolución del
mercado, tipos de aplicaciones, legislación y regulación.
Abstract
Solar energy is a renewable energy source, essentially clean and virtually limitless at
a human level. The solar electromagnetic radiation can be converted into heat
(photothermal conversion) or directly into electricity using the photovoltaic effect. The
basic element of photovoltaic energy generation is the photovoltaic module that
together with other mechanical (support structures) and electrical (DC to AC
inverters, batteries, regulators, etc.) components constitute the photovoltaic system.
In this chapter, several aspects concerning photovoltaics are reviewed, and its
insertion within the framework of the different energy sources is presented. The
global and regional market evolution, the economic competitiveness and
perspectives of market penetration and the environmental performance during the
lifecycle are analyzed. Moreover, the market distribution of the different photovoltaic
technologies are presented. Finally, a brief overview of the Argentinean photovoltaic
energy generation concerning market trends, types of applications, legislation and
regulatory framework is laid out.
1. Introducción
La energía solar es una fuente de energía abundante, no contaminante y se encuentra
disponible, en mayor o menor medida, en cualquier parte del planeta, pudiendo ser
colectada y transformada en energía térmica o eléctrica en el lugar de utilización.
La conversión directa de energía solar en electricidad se obtiene mediante la
utilización de dispositivos electrónicos, denominados celdas solares o fotovoltaicas (FV),
que hacen uso de un proceso físico denominado efecto fotovoltaico, descubierto por el físico
francés Alexandre-Edmond Becquerel (1820-1891) en 1839.
El dispositivo fotovoltaico por excelencia es la celda solar de silicio cristalino (material
semiconductor), consistente esencialmente en un diodo que transforma la radiación solar en
corriente continua.
Las celdas de silicio cristalino se fabrican a partir de obleas de dicho material siguiendo una
serie de pasos que incluyen básicamente la generación de la juntura np por difusión de
impurezas (típicamente, fósforo), el depósito de los contactos eléctricos frontal y posterior, y
la aplicación de un recubrimiento antirreflectante. Por su parte, las obleas, con un
espesor de aproximadamente 200 µm, se obtienen mediante el corte en la dirección
transversal de lingotes monocristalinos (sc-Si) o bloques policristalinos o multicristalinos
(mc-Si) de silicio de alta pureza dopado con boro.
Las características eléctricas típicas de celdas solares de silicio policristalino, cuadradas de
15 cm de lado, de producción industrial son: 600 mV de tensión de circuito abierto,
8,4 A de corriente de cortocircuito, y 4 W de potencia eléctrica en corriente continua, con
una eficiencia de conversión de energía solar en electricidad entre el 16 y el 17%. Estas
celdas solares se conectan, a su vez, en serie para dar lugar al componente básico de un
sistema fotovoltaico, el módulo fotovoltaico o panel solar, con una potencia pico que puede
variar entre unos pocos Wp y 300 Wp. Los paneles solares de mayor potencia están
formados por una cadena de 72 celdas solares en serie, trabajando en consecuencia a
tensiones de aproximadamente 40 V.
El sistema fotovoltaico se completa con el denominado ―Balance del Sistema‖ (BOS,
por sus siglas en inglés Balance of System), que incluye, según la aplicación, algunos de los
siguientes componentes: inversores de corriente continua a corriente alterna, acumuladores
(baterías), transformadores, cables, equipo de monitoreo y componentes estructurales para
la instalación de los módulos. Estos pueden montarse sobre el piso (caso típico de las
centrales de potencia) o en edificios (en terrazas, tejados, fachadas). Asimismo, las
instalaciones pueden ser fijas o contar con un sistema de seguimiento del Sol.
Existen, además, diversas tecnologías fotovoltaicas alternativas con diferente grado
de madurez, entre las que cabe mencionar: