Clula fotovoltaica de polmeros

Fig. 1. Esquema de una clula solar de plstico. PET polietileno tereftalateo, ITO xido de estao e indio, PEDOT:PSS poly(3,4-etilenedioxitiofeno),capaactiva (generalmente un polmero:mezcla defullereno), Al aluminio.

FulerenoC60.

Dos enlaces dePEDOT.

Poli (sulfonato de estireno ).Lasclulas fotovoltaicas de polmeros, es una tecnologa declulas solaresorgnicas que producenelectricidada partir de la luz con la ayuda depolmeros semiconductores. Se trata de una tecnologa relativamente nueva, estudiada en laboratorios por grupos de la industria y por las universidades de todo el mundo.Todava en gran parte en la fase experimental, las clulas fotovoltaicas de polmeros, sin embargo, ofrecen perspectivas interesantes. Se basan enmacromolculasorgnicas derivadas de lapetroqumica, cuyos procesos de fabricacin gastan mucha menos energa que la utilizada para las clulas basadas ensemiconductoresminerales. Su costo es mucho menor y son ms ligeras y menos frgiles. Su carcter flexible las hace muy adecuadas para la integracin en materiales flexibles o polmeros orgnicos o ensiliconas, incluso en fibras textiles. Su desarrollo puede construirse sobre la investigacin eningeniera qumica, por ejemplo, en elauto-montajede estas molculas.1Su principal debilidad radica en su tiempo de vida limitado por la degradacin de los polmeros cuando son expuestos a la luz del sol.ndice 1Fsica de dispositivo 2Principio de funcionamiento 3Materiales 4Revestimiento 5Vase tambin 6ReferenciasFsica de dispositivo[editar]

Fig. 2. Cadena polimrica depolarnde difusin rodeado de molculas defullereno

Principio de funcionamiento[editar]La fsica subyacente en elefecto fotovoltaicode lossemiconductores orgnicoses ms complicada de describir que la de las clulas de semiconductores minerales. Se trata de los diferentesorbitales moleculares, algunos ocupando el papel debanda de valencia, otros debanda de conduccin, entre dos molculas distintas, que actan, una como donante de electrones y la otra como aceptor, organizadas en torno a unaheterounincomo en el caso de los minerales semiconductores.1. Las molculas que sirven dedonantes de electrones(para la generacin de excitaciones, es decir, de pares deelectrones-agujero) se caracterizan por la presencia deelectrones , por lo general en un polmero conjugado llamado de tipop.2. Estos electrones pueden ser excitados por los fotones visibles o cerca del espectro visible, hacindoles pasar de laorbita molecular alto ocupada(desempeando un papel similar a labanda de valenciaen unsemiconductorinorgnico) alorbital molecular bajo vacante(desempeando un papel similar a labanda de conduccin): es lo que se llama latransicin - *(que, corresponde segn la analoga con los minerales semiconductores, a la inyeccin de los transportadores en la banda de conduccin a travs de labanda prohibida). La energa necesaria para esta transicin determina la longitud de onda mxima que puede ser convertida en energa elctrica por el polmero conjugado.3. Al contrario de lo que ocurre en los semiconductores inorgnicos, los pares deelectrones-huecoen un material orgnico, se encuentran cerca, con un fuerte acoplamiento (y la energa del enlace est entre 0,1 y 1.6 V), la disociacin de losexcitonesse alcanza en la interfase con un materialaceptor de electronesen el marco del efecto de ungradientede potencial qumico en el origen de lafuerza electromotrizdel dispositivo. Estos aceptores de electrones se conocen como de tipon.Materiales[editar]

Estructura de los polmeros conductores, poliacetileno, poli (para-vinileno) (PPV), polianilina (X = N, NH), sulfuro de poli (X = S); Polipirrol (X = NH) y Politiofeno (X = S).Lasclulas fotovoltaicas orgnicasutilizan a menudo pelculas depoli (naftalato de etileno) (PEN), como revestimientos de proteccin en la superficie, cuya funcin principal es evitar la oxidacin de los materiales orgnicos que constituyen las clulas fotovoltaicas orgnicas: elO2es una impureza que acta como un centro de recombinacin electrn-hueco, degradando el rendimiento de los componentes electrnicos. Bajo estas capas de proteccin se encuentran una o variasuninp-nentre materiales donantes y materiales aceptores de electrones, como en lasclulas solaresclsicas desemiconductoresminerales.Un ejemplo prctico es insertar molculasfulereno(C60) como aceptores de electrones (tipon) entre las cadenas de polmeros conjugados (como elPEDOT:PSS, formado porpoli (3,4-ethylenedioxythiopheno)(Pdot) como donante de electrones (tipop) mezclado conpoli (sulfonato de estireno )(PSS) para garantizar su solubilidad).En trminos generales, la investigacin actual se centrar en los derivados depolitiofenoescomopolmerostipopsobre todo elpoli (3-hexylthiophne) (P3HT).2,,3con derivados delfulerenocomo aceptores (tipon) tales como el[6,6]-phnyl-C61-butirato de metilo (PCBM).4Otras unionesp/nse estn investigando, sobre todo a base de para-phnylne-vinylne (PPV) como donante, comoMEH-PPV/PCBM5ouMDMO-PPV/PCBM,6o a la vez como donantes y como aceptores, tales como elMDMO-PPV/PCNEPV7,.8Revestimiento[editar]Las clulas solares de polmeros pueden ser depositadas en superficies flexibles, comotintascon procesos de bajo coste y, esto por tanto, podra permitir hacer clulas solares baratas. Sin embargo, por el momento los rendimientos no son ms que del 5% en el laboratorio y este se debe mejorar antes de que puedan desempear un papel importante en la produccin de energa fotovoltaica.

1.-Procesos de fabricacin de clulas solaresClulas de fsforo-aluminio

Figura 0.2. Estructura de una clula de fsforo-aluminio

Se han fabricado clulas solares con rendimientos del 19% sobre sustratos de zona flotante FZ (A. Cuevas y M.A. Balbuena, Proc. 8th EC Photovoltaic Solar Energy Conf, Kluwer Academic, Dordrecht, 1988, pp. 1186-1191), lo cual constituy rcord europeo en su momento. Realizadas con tecnologa planar, la sencilla estructura de las clulas incorpora conceptos que han devenido posteriormente en conocimiento bsico en el mundo fotovoltaico, como son el emisor de fsforo profundo pasivado con xido de silicio y el campo retrodifusor (BSF) de aluminio evaporado. Sobre esta estructura bsica se trabaja en algunas variantes que persiguen simplificar el proceso o adaptarlo a sustratos de calidad industrial (Czochralski Cz- y multicristalino -MC). Por el momento, el mejor rendimiento obtenido con material Cz ha sido 18,1%, y con multicristalino 17,1%, con clulas de 4 cm2. Se estudian tambin modificaciones que tratan de conjugar mejores prestaciones con procesos sencillos, como la difusin simultnea de fsforo y aluminio en un solo paso trmico o la implementacin de una BSF local (que reduce la recombinacin en la zona posterior). Otro campo en el que se han desarrollado clulas de fsforo-aluminio es en el de la concentracin, habindose obtenido valores de 20,6% a 100 soles (10 Wcm-2).

Figura 2. Curvas IV con iluminacin por cada cara de una clula bifacial y de alto rendimiento y sus perfiles de dopaje

Clulas bifaciales de fsforo-boro La clula bifacial fue inventada en el IES en 1976, y desarrollada hacia 1980. Esto dio lugar al nacimiento de Isofotn, una de las principales empresas fotovoltaicas del mundo. Las clulas bifaciales pueden integrarse en mdulos bifaciales, que aprovechan la luz reflejada en su cara posterior, aumentando de esa forma la conversin de energa. Adems, son especialmente indicadas para su uso en concentradores estticos, pues duplican el nivel de concentracin alcanzable. Se han conseguido clulas solares bifaciales con rendimientos del 19,1% por la cara posterior (dopada con fsforo) y 18,1% por la frontal (dopada con boro) (A. Moehlecke, I. Zanesco y A. Luque, Proc. 1st World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, Hawaii, 1994, pp. 1663-1666). Adaptando el proceso a silicio Cz, hemos obtenido rendimientos del 17,7% por la cara posterior y 15,2% por la cara frontal. (C. del Caizo, A. Moehlecke, I. Zanesco, A. Luque. IEEE Electron Dev. Lett. 21, 179-180, 2000). Las investigaciones continan, con la colaboracin de otros socios, en el sentido de sustituir las tcnicas usadas por nosotros, que son todava relativamente caras, por tcnicas estndar de la industria, con el objetivo de conseguir rendimientos razonables de forma econmica. Tambin se trabaja en reproducir los resultados con obleas de espesores en el rango de las 100-150 micras. Clulas de contacto exclusivamente posterior (CEP)

Figura 3. Seccin de una clula

El objetivo de esta actividad es desarrollar una nueva clula que aprovechando nuestro actual estado del arte tenga contactos exclusivamente posteriores . Para conseguir clulas con contactos exclusivamente posteriores se realizan orificios que atraviesen la oblea de silicio pasando a travs de esos agujeros metalizados la corriente de la cara anterior a un peine en la cara posterior. Se usan dos mtodos para realizar los orificios pasantes. Este tipo de clula tendr aplicacin para constituir un receptor tipo parquet para concentradores de Silicio parablicos grandes puesto que las clulas pueden montarse contiguas evitando la prdida de luz. Asimismo la conexin por una cara puede simplificar la automatizacin del conexionado en los mdulos convencionales. 2.-Caracterizacin de procesos y materialesExtraccin de impurezas durante el procesamiento de clulas de Si:Las clulas solares son muy sensibles a ciertas impurezas tales como los metales de transicin que pueden estar presentes en el silicio de partida, o bien serles introducidas durante el procesamiento de las mismas, sobre todo teniendo en cuenta que se tiende a usar silicio de baja calidad y por tanto ms barato, y que el procesamiento no se hace en condiciones de sala blanca. Debido a la baja concentracin de impurezas a las que stas son activas, las investigaciones sobre mecanismos de extraccin son difciles y estn ampliamente sujetas a controversia.

Figura 4. Simulador de procesos de extraccin desarrollado en el IES

Hemos desarrollado un modelo basado en principios bien aceptados de la qumica fsica (C. del Caizo, A. Luque. J. Electrochem. Soc. 147, 2685-2692, 2000), que incluye los mecanismos aceptados comnmente para varios mecanismos de extraccin de impurezas. En particular el modelo puede analizar cuantitativamente la extraccin extrnseca por difusin y segregacin a una capa lquida (caso de la extraccin por aluminio), e incluir la inyeccin de autointersticiales (caso de la extraccin por fsforo). Puede tambin tratar los mecanismos de precipitacin de las impurezas (extraccin intrnseca) y la decoracin de defectos con metales de transicin. Se piensa que este modelo puede ser un instrumento poderoso de investigacin de los mecanismos de extraccin al poder analizar cuantitativamente los efectos que acarrearan los mismos en caso de estar presentes. Desarrollo de las tcnicas fotoconductivas para medidas del tiempo de vidaLa medida del tiempo de vida de la base de las clulas solares a lo largo de los procesos de fabricacin se usa frecuentemente en el IES (R. Lago-Aurrekoetxea, I. Tobas, C. del Caizo, A. Luque. J. Electrochem. Soc., 148, G200-G206, 2001) en el desarrollo de nuevas clulas solares. Para ello se apartan muestras en las que, mediante ataques qumicos, se eliminan las uniones y xidos superficiales. La oblea as obtenida se mide mantenindose pasivada por inmersin en cido fluorhdrico concentrado.

Figura 5. Medidas por PCD del tiempo de vida de volumen de una oblea de silicio FZ no procesada de 1.75 Omhcm, con el mtodo de pasivacin in situ y calibracin desarrollado en el Instituto. Tras los ajustes con el programa PC-1D se obtienen unos tiempos de vida SRH de 150 y 3000 microseconds `para electrones y huecos respectivamente

El fundamento de la medida es examinar la fotoconductividad, la cual se determina por acople inductivo de la oblea a un puente de medida. La medida puede hacerse en condiciones de iluminacin pulsada, determinando la decada de la fotoconductividad, lo que no necesita ninguna calibracin para la determinacin del tiempo de vida pero s para determinar el nivel de inyeccin al que acontece. Se ha propuesto usar la recombinacin Auger, bien conocida, para determinar el nivel de inyeccin. En otros casos se usa una tcnica cuasi-esttica (iluminada con un destello lento) que permite medir tiempos de vida menores, pero esta medida necesita una calibracin, difcil de hacer en las condiciones de la medida, es decir sumergida en un electrolito. Se usa la medida de decada para calibrar la medida quasi-esttica. Estas medidas confirman el hecho recientemente observado de que en obleas p el tiempo de vida de los huecos es mucho mayor que el de los electrones, dando lugar a variaciones importantes del tiempo de vida con el nivel de inyeccin. Con este tipo de medidas se intenta separar la recombinacin de base y la del emisor posterior de las clulas solares de fsforo-aluminio, con objeto de proponer mtodos de fabricar la ltima que permitan mejorar dichas clulas. Esto es especialmente importante ante la tendencia a reducir el espesor de las clulas con objeto de reducir el coste del material. 3.-Nuevas perspectivas para el silicio cristalinoHasta hace bien poco, el silicio cristalino usado en la industria fotovoltaica provena en su mayor parte de los rechazos de la industria microelectrnica, obteniendo as precios sensiblemente menores a los del silicio ultrapuro de grado electrnico. Ante el vertiginoso crecimiento del mercado fotovoltaico, que hoy por hoy est basado en ms del 90% en silicio cristalino, la cantidad de silicio necesario es muy superior a la que la industria microelectrnica puede suministrar a precios competitivos, por lo que es necesario encontrar vas propias de purificacin de silicio, obteniendo realmente lo que podramos llamar silicio solar. Obtencin de silicio solar a partir de silicio metalrgicoEl IES, junto con otros socios tecnolgicos, entre los que se encuentran las empresas Ferroatlntica (la mayor productora mundial de silicio metalrgico) trabaja en la investigacin de un proceso integral para producir silicio solar y fabricar con l clulas solares. El seguimiento, control y extraccin de impurezas contaminantes en todas las fases del proceso (purificacin del silicio metalrgico, crecimiento de lingotes, corte en obleas y fabricacin de clulas) es un elemento clave para determinar los mtodos de purificacin y disear los procesos apropiados. Crecimiento epitaxial sobre silicio de muy baja calidadOtra lnea de trabajo es la de usar silicio de baja calidad sobre el que se crece epitaxialmente una fina capa de silicio ultrapuro. Si se logra evitar que las impurezas del sustrato no difundan a la capa epitaxial, se puede realizar en sta la clula solar. Actualmente los procesos de crecimiento epitaxial empleados en microelectrnica son lentos y costosos. En el IES se ha diseado y construido un reactor epitaxial de alta productividad, que reduce el consumo de gases de proceso (hidrgeno y silano) gracias a un sistema de recirculacin.

Figura 6. Reactor epitaxial de gran volumen de produccin inventado en el IES

Clula fotoelctrica

Clula solarmonocristalina durante su fabricacin

Smbolo de la clula fotovoltaicaUnaclula fotoelctrica, tambin llamadacelda, fotoclula o clula fotovoltaica, es un dispositivo electrnico que permite transformar la energa lumnica (fotones) en energa elctrica (flujo de electrones libres) mediante elefecto fotoelctrico, generandoenerga solar fotovoltaica. Compuesto de un material que presenta efecto fotoelctrico: absorben fotones de luz y emiten electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente elctrica que puede ser utilizada como electricidad.La eficiencia de conversin media obtenida por las clulas disponibles comercialmente (producidas a partir desilicio monocristalino) est alrededor del 14%, pero segn la tecnologa utilizada vara desde el 6% de las clulas desilicio amorfohasta el 14-22% de las clulas desilicio monocristalino. Tambin existen Las clulas multicapa, normalmente dearseniuro de galio, que alcanzan eficiencias del 30%. En laboratorio se ha superado el 43% con nuevos paneles experimentales.1La vida til media a mximo rendimiento se sita en torno a los 25 aos, perodo a partir del cual la potencia entregada disminuye por debajo de un valor considerable.Al grupo de clulas fotoelctricas para energa solar se le conoce comopanel fotovoltaico. Los paneles fotovoltaicos consisten en una red de clulas solares conectadas comocircuito en seriepara aumentar la tensin de salida hasta el valor deseado (usualmente se utilizan 12V 24V) a la vez que se conectan varias redes comocircuito paralelopara aumentar lacorriente elctricaque es capaz de proporcionar el dispositivo.El tipo decorriente elctricaque proporcionan escorriente continua, por lo que si necesitamoscorriente alternao aumentar sutensin, tendremos que aadir uninversory/o unconvertidor de potenciandice[ocultar] 1Principio de funcionamiento 2Tcnica de fabricacin 2.1Clulas de silicio amorfo 2.2Clula de silicio monocristalino 2.3Clulas de silicio policristalino 2.4Clula tndem 2.5Clula multiunin 2.6El semiconductor fbi 3Uso 4Investigacin y desarrollo 5Las tres generaciones de clulas fotoelctricas 5.1Primera Generacin 5.2La Segunda Generacin 5.3Tercera generacin 5.4Hoja de ruta de la energa fotovoltaica 6Eficiencia 7Vase tambin 8Notas 9Referencias 10Enlaces externosPrincipio de funcionamiento[editar]

Estructura de una clula fotovoltaica.En un semiconductor expuesto a la luz, unfotnde energa arranca unelectrn, creando a la vez un hueco en el tomo excitado. Normalmente, el electrn encuentra rpidamente otro hueco para volver a llenarlo, y la energa proporcionada por el fotn, por tanto, se disipa en forma de calor. El principio de una clula fotovoltaica es obligar a los electrones y a loshuecosa avanzar hacia el lado opuesto del material en lugar de simplemente recombinarse en l: as, se producir unadiferencia de potencialy por lo tanto tensin entre las dos partes del material, como ocurre en unapila.Para ello, se crea uncampo elctricopermanente, a travs de unaunin pn, entre dos capasdopadas respectivamente, p y n. En las clulas de silicio, que son mayoritariamente utilizadas, se encuentran por tanto: La capa superior de la celda, que se compone de siliciodopado de tipo n.nota 1En esta capa, hay un nmero de electrones libres mayor que en una capa de silicio puro, de ah el nombre del dopaje n, negativo. El material permanece elctricamente neutro, ya que tanto los tomos de silicio como los del material dopante son neutros: pero la red cristalina tiene globalmente una mayor presencia de electrones que en una red de silicio puro. La capa inferior de la celda, que se compone de siliciodopado de tipo p.nota 2Esta capa tiene por lo tanto una cantidad media de electrones libres menor que una capa de silicio puro. Los electrones estn ligados a la red cristalina que, en consecuencia, es elctricamente neutra pero presentahuecos, positivos (p). La conduccin elctrica est asegurada por estos portadores de carga, que se desplazan por todo el material.En el momento de la creacin de la unin pn, los electrones libres de la capa n entran instantneamente en la capa p y se recombinan con los huecos en la regin p. Existir as durante toda la vida de la unin, una cargapositivaen la regin n a lo largo de la unin (porque faltan electrones) y una carganegativaen la regin en p a lo largo de la unin (porque loshuecoshan desaparecido); el conjunto forma la Zona de Carga de Espacio (ZCE) y existe uncampo elctricoentre las dos, de n hacia p. Este campo elctrico hace de la ZCE undiodo, que solo permite el flujo de corriente en una direccin: los electrones pueden moverse de la regin p a la n, pero no en la direccin opuesta y por el contrario loshuecosno pasan ms que de n hacia p.En funcionamiento, cuando un fotn arranca un electrn a la matriz, creando un electrn libre y unhueco, bajo el efecto de este campo elctrico cada uno va en direccin opuesta: los electrones se acumulan en la regin n (para convertirse en polo negativo), mientras que loshuecosse acumulan en la regin dopada p (que se convierte en el polo positivo). Este fenmeno es ms eficaz en la ZCE, donde casi no hay portadores de carga (electrones ohuecos), ya que son anulados, o en la cercana inmediata a la ZCE: cuando un fotn crea un par electrn-hueco, se separaron y es improbable que encuentren a su opuesto, pero si la creacin tiene lugar en un sitio ms alejado de la unin, el electrn (convertido enhueco) mantiene una gran oportunidad para recombinarse antes de llegar a la zona n. Pero la ZCE es necesariamente muy delgada, as que no es til dar un gran espesor a la clula.nota 3Efectivamente, el grosor de la capa n es muy pequeo, ya que esta capa slo se necesita bsicamente para crear la ZCE que hace funcionar la clula. En cambio, el grosor de la capa p es mayor: depende de un compromiso entre la necesidad de minimizar las recombinacioneselectrn-hueco, y por el contrario permitir la captacin del mayor nmero de fotones posible, para lo que se requiere cierto mnimo espesor.En resumen, una clula fotovoltaica es el equivalente de ungenerador de energaa la que se ha aadido undiodo. Para lograr una clula solar prctica, adems es preciso aadir contactos elctricos (que permitan extraer la energa generada), una capa que proteja la clula pero deje pasar la luz, una capaantireflectantepara garantizar la correcta absorcin de losfotones, y otros elementos que aumenten la eficiencia del misma.Tcnica de fabricacin[editar]

Obleas utilizadas para su posterior conversin enclulas fotovoltaicas, en la cinta transportadora durante su proceso de fabricacin.

Clulas fotovoltaicaslistas para su uso.El silicio es actualmente el material ms comnmente usado para la fabricacin de clulas fotovoltaicas. Se obtiene porreduccinde laslice,compuestoms abundante en la corteza de la Tierra, en particular en laarenao elcuarzo.El primer paso es la produccin de silicio metalrgico, puro al 98%, obtenido de pedazos de piedras de cuarzo provenientes de un filn mineral (la tcnica de produccin industrial no parte de la arena). El silicio se purifica mediante procedimientos qumicos (Lavado + Decapado) empleando con frecuencia destilaciones de compuestos clorados de silicio, hasta que la concentracin de impurezas es inferior al 0.2 partes por milln. As se obtiene el silicio semiconductor con un grado de pureza superior al requerido para la generacin de energa solar fotovoltaica. Este ha constituido la base del abastecimiento de materia prima para aplicaciones solares hasta la fecha, representando en la actualidad casi las tres cuartas partes del aprovisionamiento de las industrias.Sin embargo, para usos especficamente solares, son suficientes (dependiendo del tipo de impureza y de la tcnica de cristalizacin), concentraciones de impurezas del orden de una parte por milln. Al material de esta concentracin se le suele denominarsilicio de grado solar.Con el silicio fundido, se realiza un proceso de crecimiento cristalino que consiste en formar capas monomoleculares alrededor de un germen de cristalizacin o de un cristalito inicial. Nuevas molculas se adhieren preferentemente en la cara donde su adhesin libera ms energa. Las diferencias energticas suelen ser pequeas y pueden ser modificadas por la presencia de dichas impurezas o cambiando las condiciones de cristalizacin. La semilla o germen de cristalizacin que provoca este fenmeno es extrada del silicio fundido, que va solidificando de forma cristalina, resultando, si el tiempo es suficiente, un monocristal y si es menor, un policristal. La temperatura a la que se realiza este proceso es superior a los 1500C .El procedimiento ms empleado en la actualidad es elProceso Czochralski, pudindose emplear tambin tcnicas de colado. El silicio cristalino as obtenido tiene forma de lingotes.Estos lingotes son luego cortados en lminas delgadas cuadradas (si es necesario) de 200micrmetrosde espesor, que se llaman obleas. Despus del tratamiento para la inyeccin del enriquecido con dopante (P,As,SboB) y obtener as los semiconductores de silicio tipo P o N.Despus del corte de las obleas, las mismas presentan irregularidades superficiales y defectos de corte, adems de la posibilidad de que estn sucias de polvo o virutas del proceso de fabricacin. Esta situacin puede disminuir considerablemente el rendimiento del panel fotovoltaico as que se realizan un conjunto de procesos para mejorar las condiciones superficiales de las obleas tales como un lavado preliminar, la eliminacin de defectos por ultrasonidos, el decapado, el pulido o la limpieza con productos qumicos. Para las celdas con ms calidad (monocristal) se realiza un tratado de texturizado para hacer que la oblea absorba con ms eficiencia la radiacin solar incidente.Posteriormente, las obleas son metalizadas, un proceso que consiste en la colocacin de unas cintas de metal incrustadas en la superficie conectadas acontactoselctricos que son las que absorben la energa elctrica que generan las uniones P/N a causa de la irradiacin solar y la transmiten.La produccin de clulas fotovoltaicas requiere energa, y se estima que un mdulo fotovoltaico debe trabajar alrededor de 2 a 3 aos2segn su tecnologa para producir la energa que fue necesaria para su produccin (mdulo de retorno de energa).Las tcnicas de fabricacin y caractersticas de los principales tipos de clulas se describen en los siguientes 3 prrafos. Existen otros tipos de clulas que estn en estudio, pero su uso es casi insignificante.Los materiales y procesos de fabricacin son objeto de programas de investigacin ambiciosos para reducir el costo y el reciclado de las clulas fotovoltaicas. Las tecnologas de pelcula delgada sobre sustratos sin marcar recibi la aceptacin de la industria ms moderna. En 2006 y 2007, el crecimiento de la produccin mundial de paneles solares se ha visto obstaculizado por la falta de clulas de silicio y los precios no han cado tanto como se esperaba. La industria busca reducir la cantidad de silicio utilizado. Las clulas monocristalinas han pasado de 300micrasde espesor a 200 y se piensa que llegarn rpidamente a las 180 y 150 micras, reduciendo la cantidad de silicio y la energa requerida, as como tambin el precio.Clulas de silicio amorfo[editar]El silicio durante su transformacin, produce un gas que se proyecta sobre una lmina de vidrio. La celda es gris muy oscuro. Es la clula de lascalculadorasy relojes llamados de solares.Ests clulas fueron las primeras en ser manufacturadas, ya que se podan emplear los mismos mtodos de fabricacin dediodos. Ventajas: Funciona con una luz difusa baja (incluso en das nublados), Un poco menos costosa que otras tecnologas, Integracin sobre soporte flexible o rgido. Inconvenientes: Rendimiento a pleno sol bajo, del 5% al 7%,3 Rendimiento decreciente con el tiempo (~7%).Clula de silicio monocristalino[editar]

Clula de silicio monocristalinoAl enfriarse, el silicio fundido se solidifica formando solo un nico cristal de grandes dimensiones. Luego se corta el cristal en delgadas capas que dan lugar a las clulas. Estas clulas generalmente son de un azul uniforme. Ventajas: Buen rendimiento de 14% al 16%3 Buena relacin Wp m (~150 Wp/m, lo que ahorra espacio en caso necesario Nmero de fabricantes elevado. Inconvenientes: Coste ms elevadoClulas de silicio policristalino[editar]

Una clula fotovoltaica basada en silicio multicristalino.Durante el enfriamiento del silicio en un molde, se forman varioscristales. La fotoclula es de aspecto azulado, pero no es uniforme, se distinguen diferentes colores creados por los diferentes cristales. Ventajas: Clulas cuadradas (con bordes redondeados en el caso de Si monocristalino) que permite un mejor funcionamiento en un mdulo, Eficiencia de conversin ptima, alrededor de 100 Wp/m, pero un poco menor que en el monocristalino Lingote ms barato de producir que el monocristalino. Inconveniente Bajo rendimiento en condiciones de iluminacin baja.Policristalino o multicristalino? Hablamos aqu de silicio multicristalino (rf. IEC TS 61836, vocabulario fotovoltaico internacional ). El trmino policristalino se utiliza para las capas depositadas sobre un sustrato (granos pequeos).Clula tndem[editar]Apilamiento monoltico de dos clulas individuales. Mediante la combinacin de dos clulas (capa delgada de silicio amorfo sobre silicio cristalino, por ejemplo) que absorben en el espectro al mismo tiempo se solapan, mejorando el rendimiento en comparacin con las clulas individuales separadas, sean amorfas, cristalinas o microcristalinas. Ventajas Alta sensibilidad en un amplio rango delongitudes de onda. Excelente rendimiento. Desventaja El costo es alto debido a la superposicin de dos clulas.Clula multiunin[editar]Artculo principal:Clula fotovoltaica multiuninEstas clulas tienen una alta eficiencia y han sido desarrolladas para aplicaciones espaciales. Las clulas multiunin estn compuestas de varias capas delgadas usando laepitaxiapor haz molecular.Un clulas de triple unin, por ejemplo, se compone de semiconductoresGaAs, Ge y GaInP2. Cada tipo de semiconductores se caracteriza por un mximo de longitud de onda ms all del cual no es capaz de convertir los fotones en energa elctrica (verbanda prohibida). Por otro lado, por debajo de esta longitud de onda, el exceso de energa transportada por el fotn se pierde. De ah el valor de la seleccin de materiales con longitudes de onda tan cerca el uno al otro como sea posible, de forma que absorban la mayora del espectro solar, generando un mximo de electricidad a partir del flujo solar. El uso de materiales compuestos de cajascunticaspermitir llegar al 65% en el futuro (con un mximo terico de 87%). Los dispositivos de clulas de uniones mltiples GaAs son ms eficaces. Spectrolab ha logrado el 40,7% de eficiencia (diciembre de 2006) y un consorcio (liderado por investigadores de la Universidad de Delaware) ha obtenido un rendimiento de 42,8%4(septiembre de 2007). El coste de estas clulas es de aproximadamente USD 40 $/cm.El semiconductor fbi[editar]La tcnica consiste en depositar un material semiconductor que contienecobre,galio,indioyseleniosobre un soporte.Una preocupacin, sin embargo: los recursos de materias primas. Estas nuevas tcnicas utilizan metales raros, comoindio, cuya produccin mundial es de 25toneladaspor ao y el precio a fecha de abril del 2007 es de 1.000 dlares por kg; elteluro, cuya produccin mundial es de 250 toneladas al ao; elgaliocon una produccin de 55 toneladas al ao y elgermaniocon una produccin de 90 toneladas al ao. Aunque las cantidades de estas materias primas necesarias para la fabricacin de clulas solares son infinitesimales, un desarrollo masivo de paneles fotovoltaicos solares debera tener en cuenta esta disponibilidad limitada.Uso[editar]Las clulas fotovoltaicas se utilizan a veces solas (iluminacin de jardn, calculadoras, ...) o agrupadas enpaneles solares fotovoltaicos.Se utilizan para reemplazar a lasbateras(cuya energa es con mucho la ms cara para el usuario), las clulas han invadido las calculadoras, relojes, aparatos, etc.Es posible aumentar su rango de utilizacin almacenndola mediante un (condensadoropilas). Cuando se utiliza con un dispositivo para almacenar energa, es necesario colocar undiodoen serie para evitar la descarga del sistema durante la noche.Se utilizan para producir electricidad para muchas aplicaciones (satlites,parqumetros, etc.) y para la alimentacin de los hogares o en una red pblica en el caso de unacentral solar fotovoltaica.Investigacin y desarrollo[editar]

Parque fotovoltaico de 19MWenAlemania.La tcnica no ha alcanzado an la madurez y estn siendo exploradas muchas vas de investigacin. Primero se debe reducir el costo de la electricidad producida, y tambin avanzar en la resistencia de los materiales, flexibilidad de uso, facilidad de integracin en los objetos, en la vida, etc.). Todas las etapas de los procesos de fabricacin se pueden mejorar, por ejemplo: La empresa Evergreen Solar ha conseguido realizar el depsito de silicio todava lquido en una pelcula donde se cristaliza directamente con el espesor preciso de la lmina. La empresa "Nanosolar" ha industrializado la produccin de clulas CGIS mediante una tcnica de impresin en continuo, esperando un costo de 1 $/W en el ao 2010. Todas las compaas han anunciado sucesivos aumentos de la eficiencia de sus clulas. El tamao de las obleas est creciendo de manera constante, reduciendo el nmero de manipulaciones Se trata de utilizar mejor todas las longitudes de onda del espectro solar (incluyendo elinfrarrojo, lo que abre perspectivas interesantes: la conversin directa de la luz de una llama en electricidad, refrigeracin). Concentradoresya utilizados en los satlites se estn probando en la tierra. A travs deespejosylentesincrustados en el panel, focalizan la radiacin en la clula fotovoltaica. A finales de 2007, Sharp ha anunciado la disponibilidad de un sistema de enfoque hasta 1100 veces la radiacin solar (contra 700 veces para la marca previa de 2005); a principios de 2008, Sunrgi ha alcanzado 1600 veces. La concentracin permite disminuir la proporcin de los grupos de paneles dedicados a la produccin de electricidad, y por lo tanto su coste. Por otra parte, estos nuevos materiales soportan muy bien la elevada temperatura debida a la concentracin del flujo solar.5 Se est estudiando tambin la posibilidad de unir el silicio amorfo y el cristalino porheterouninen una clula solar ms simple de ms del 20% de eficiencia. Proyecto de 2 aos anunciado a principios de 2008, con la participacin delLaboratorio de Innovacin para Nuevas Tecnologas Energticas y NanomaterialsdelCEA-Liteny la empresa coreanaJUSUNG(proveedor de equipamiento para los fabricantes de semiconductores), con elINES(Savoy) donde la CEA-Liten ha concentrado sus actividades en la energa solar. Otros semiconductores (selenio;asociacincobre-indio-selenio(CIS) de pelcula fina) se estn estudiando por ejemplo en Francia por el instituto de investigacin y desarrollo en energa fotovoltaica (IRDEP6). El CIS parece ofrecer un modesto rendimiento del 12%, pero con bajo costo de fabricacin. Los compuestos orgnicos de (materiasplsticas) tambin pueden ser usadas para hacerclulas fotovoltaicas de polmeros, y podra llegar a hacerse paneles flexibles y ligeros, azulejos, tejidos o velas solares, es de esperar que de fabricacin a bajo coste. En la actualidad los rendimientos son bajos (5% como mximo), as como su vida, y an quedan muchos problemas tcnicos por resolver. A principios de 2008, el grupo japonsFujikuraanunciaba7haber puesto a prueba (1000 horas a 85 C y con unahumedaddel 85%) unas clulas fotovoltaicas orgnicas de tipoGrtzelno slo ms resistente, sino que su rendimiento mejor del 50 al 70% con una superficie rugosa que distribuye al azar la luz reflejada dentro de la clula donde se liberan de nuevo las cargas elctricas mediante la activacin de otros pigmentos fotosensibles. Un equipo de EE.UU. de Boston College en Chestnut Hill (Massachusetts) ha desarrollado paneles solares capaces de recuperar el espectro infrarrojo y convertirlo en electricidad. Esto permitira la produccin de electricidad a partir de cualquier fuente de calor, incluso por la noche.8Hasta ahora, slo una parte de la radiacin de la luz visible, predominantemente verde y azul, se transformaba en electricidad y la radiacin infrarroja se utilizaba en los paneles trmicos para calentar el agua. Asimismo, se pretende fabricar clulas transparentes; modelos impulsados por el Instituto alemn Fraunhofer para la Mecnica de Materiales (IWM; proyecto "METCO"9sugieren que las clulas transparentes bicapa podran algn da ser producidas industrialmente. los semiconductores de tipo p transparentes parecen ms difciles de producir (elfsforopodra ser un dopante-P delxido de zinc, pero elnitrgenoparece ser ms prometedor.10) Por ltimo, la escasez de silicio o de productos dopantes (el precio delindiose ha multiplicado por diez desde 2002 hasta 2009 tras su rarefaccin) aumenta an ms los incentivo para la innovacin de un mercado en fuerte crecimiento que parece enorme, sobre todo si se puede reducir el costo de la electricidad y acercarlo al de los combustibles fsiles.Las tres generaciones de clulas fotoelctricas[editar]Las clulas fotoelctricas se clasifican en tres generaciones que indican el orden de importancia y relevancia que han tenido histricamente. En el presente hay investigacin en las tres generaciones mientras que las tecnologas de la primera generacin son las que ms estn representadas en la produccin comercial con el 89.6% de produccin en 2007.Primera Generacin[editar]Las clulas de la primera generacin tienen gran superficie, alta calidad y se pueden unir fcilmente. Las tecnologas de la primera generacin no permiten ya avances significativos en la reduccin de los costes de produccin. Los dispositivos formados por la unin de clulas de silicio se estn acercando al lmite de eficacia terica que es del 31%11y tienen un periodo de amortizacin de 5-7 aos.12La Segunda Generacin[editar]Los materiales de la segunda generacin han sido desarrollados para satisfacer las necesidades de suministro de energa y el mantenimiento de los costes de produccin de las clulas solares. Las tcnicas de fabricacin alternativas, como ladeposicin qumica de vapor, y lagalvanoplastiatiene ms ventajas,13ya que reducen la temperatura del proceso de forma significativa.Uno de los materiales con ms xito en la segunda generacin han sido laspelculas finasdeteluro de cadmio(CdTe),CIGS, desilicio amorfoy desilicio microamorfo(estos ltimos consistentes en una capa de silicio amorfo y microcristalino)1415. Estos materiales se aplican en unapelcula finaen un sustrato de apoyo tal como el vidrio o lacermica, la reduccin de material y por lo tanto de los costos es significativa. Estas tecnologas prometen hacer mayores las eficiencias de conversin, en particular, elCIGS-CIS, elDSCy elCdTeque son los que ofrecen los costes de produccin significativamente ms baratos. Estas tecnologas pueden tener eficiencias de conversin ms altas combinadas con costos de produccin ms baratos.Entre los fabricantes, existe una tendencia hacia las tecnologas de la segunda generacin, pero la comercializacin de estas tecnologas ha sido difcil.16En 2007,First Solarprodujo 200 MW de clulas fotoelctricas de CdTe, el quinto fabricante ms grande de clulas en 2007.16Wurth Solar comercializ su tecnologa de CIGS en 2007 produciendo 15 MW. Nanosolar comercializ su tecnologa de CIGS en 2007 y con una capacidad de produccin de 430 MW para 2008 en los EEUU y Alemania.17Honda Soltec tambin comenz a comercializar su base de paneles solares CIGS en 2008.En 2007, la produccin de CdTe represent 4.7% del mercado, el silicio de pelcula fina el 5.2%, y el CIGS 0.5%.16Tercera generacin[editar]Se denominan clulas solares de tercera generacin a aquellas que permiten eficiencias de conversin elctrica tericas mucho mayores que las actuales y a un precio de produccin mucho menor. La investigacin actual se dirige a la eficiencia de conversin del 30-60%, manteniendo los materiales y tcnicas de fabricacin a un bajo costo.11Se puede sobrepasar ellmite terico de eficienciade conversin de energa solar para un solo material, que fue calculado en 1961 por Shockley y Queisser en el 31%18No utilizan turbinas ni generador si no la luz natural del sol. Existen diversos mtodos para lograr esta alta eficiencia incluido el uso declula fotovoltaica con multiunin, la concentracin del espectro incidente, el uso de la generacin trmica porluz ultravioletapara aumentar latensin, o el uso delespectro infrarrojopara la actividad nocturnaHoja de ruta de la energa fotovoltaica[editar]stos son algunos de los objetivos que la industria japonesa se ha propuesto:TemaObjetivo para el 2010Objetivo para 2020Objetivo para 2030

Coste de produccin100 yen/watt75 yen/watt