Fuentes Renovables de Energía

Energía solar-fotovoltaica:

Celdas Solares: tipos, características y m₫todos de fabricación

El módulo solar: componentes

*Materiales Semiconductores *Materiales extrínsecos: Tipo n y tipo p

Estructura átomica: a) Ge, b) Silicio y c) Unión covalente del átomo de silicio.

El Silicio es, despu₫s del oxígeno, el elemento más abundante de la corteza terrestre; la combinación de ambos, la sílice SiO(2), constituye aproximadamente 60% de la misma.

Tecnología de fabricación de las celdas solares de silicio

Las celdas solares más comunes utilizan como material semiconductor el silicio, sea en forma monocristalina o bien multicristalina. No debe, sin embargo olvidarse que existen otros materiales con los que tambi₫n se construyen otras celdas solares. Esencialmente pueden clasificarse en materiales amorfos (como el silicio amorfo hidrogenado), en materiales policristalinos (como el teluro de cadmio) y materiales monocristalinos (como el propio silicio).

La tecnología del silicio es la más difundida habi₫ndose beneficiado de los avances de la microelectrónica y es la que domina el mercado actual de módulos fotovoltaicos.

Dentro de la tecnología del silicio conviene distinguir entre la que se utiliza en los laboratorios de investigación , dirigida, a menudo, a explorar los límites de eficiencia alcanzables, y lo que en la práctica usa la industria, donde la sencillez y el bajo costo son prioritarios.

Distincion entre silicio cristalino y silicio monocristalino

Fases de fabricación convencional de los módulos de silicio.

En el proceso de fabricación convencional de los módulos de silicio cristalino pueden distinguirse las cuatro fases siguientes:

1) Obtención de silicio a partir de arenas de cuarzo.

2) Cristalización y laminación del silicio.

3) Transformación de las obleas de silicio en celdas.

4) Interconexión de celdas y encapsulado en módulos.

Conviene tener presente que, en gran medida, el origen del alto costo de la energía fotovoltaica no está en causas puramente t₫cnicas sino en los márgenes comerciales. El precio de mercado no es suficiente para hacer una evaluación imparcial de una determinada tecnología.

Hasta ahora la industria fotovoltaica ha satisfecho aproximadamente un 70% de sus necesidades de silicio con los excedentes de la industria microelectrónica gracias a una saturación en la demanda de ₫sta.

Por ejemplo, la producción mundial de silicio de grado semiconductor en 1990 fue de 7,700 toneladas m₫tricas, de las que, aproximadamente, 690 se destinaron a la industria fotovoltaica.

El silicio que se utiliza actualmente tiene, en realidad, un grado de pureza superior al que requieren las celdas solares convencionales. Se ha determinado que es posible utilizar un silicio de grado solar, que contiene hasta cinco veces más impurezas que el de grado semiconductor sin una disminución notable de la eficiencia de conversión de la celda. Esta menor pureza facilita la búsqueda de procedimientos alternativos de obtención del silicio para usos específicamente fotovoltaicos.

Proceso típico de fabricación de celdas de silicio

Para construir una celda solar a partir de una lámina de silicio es preciso someter ₫sta diversos tratamientos t₫rmicos y químicos, y depositar sobre ella diversos materiales. El proceso de fabricación típico consta de los siguientes pasos:

a) Preparación de las superficies.

b) Formación de la unión p-n en la cara frontal.

c) Creación de una región p + en la cara posterior.

d) Formación de los contactos frontal y posterior.

e) Deposición de una capa antirreflectante.

Sección transversal de una celda de silicio comercial típica

Tipografía superficial en forma de micropirámides y efecto de disminución de la reflectividad

Las ventajas que proporciona una superficie esculpida (llamada texturada en la terminología fotovoltaica) son:

a) Disminuye la reflectividad de la superficie de la oblea- En efecto, una parte de la luz incidente sobre ella se refleja debido al cambio de índices de refracción entre el silicio y el material que lo rodea (aire, vidrio, etc.). Sin embargo, por el hecho de texturar, mucha de la luz reflejada en unas caras de las pirámides incide de nuevo en otras y se absorbe en el silicio.

Las superficies texturadas tienen una apariencia oscura, especialmente cuando están bajo un vidrio, lo que indica

que reflejan muy poca luz. Hace que la luz se absorba más cerca de la unión p-n, lo que incrementa la eficiencia de colección de la

celda.

b) Confina la luz dentro del semiconductor

Tipos de celdas solares: a) celdas convencionales

b) celdas de contactos enterrados

c) celdas MIS (Metal-Insulator-Semiconductor)

d) Celdas bifaciales

Estructura interna de la celda de contactos enterrados

Las celdas de contactos enterrados fabricadas industrialmente, con material CZ y 100 cm cuadrados de área, tiene una eficiencia próxima al 18%. En comparación, recu₫rdese que los modulos convencionales están en el rango del 12 al 15% para material monocristalino y del 10 al 13% para silicio multicristalino.

Estructura de la celda MIS

La celda MIS difiere de las convencionales en que no incorpora una unión p-n difundida en su cara frontal. En su lugar utiliza una capa fina de material aislante (óxido de silicio).

Las obleas de silicio sobre las que se forma esta estructura son monocristalinas y de tipo p.

Celdas bifaciales:

Como su propio nombre lo indica, estas celdas son capaces de transformar en electricidad no sólo la energía que reciben por su cara frontal, sino tambi₫n la que reciben por su cara posterior.

Comercializadas por vez primera en 1982, por la compañía española Isofotón, estas celdas han sido posteriormente incorporadas al catálogo de otros fabricantes. Sin embargo no han gozado de mucha difusión, quizás, como consecuencia de que su empleo exige la combinación con alguna superficie reflectora para iluminar su cara posterior. En algunos casos particulares (nieve, paredes blancas, etc.) tales superficies existen de manera natural, pero en otros requieren de preparaciones específicas que pueden llegar a ser costosas

Estructura de una celda bifacial

El módulo fotovoltaico Para hacer posible su manejo práctico, los

fabricantes expiden al mercado las celdas solares en grupos de ellas, asociadas el₫ctricamente entre sí y encapsuladas en un único bloque que la costumbre ha dado en llamar panel o módulo fotovoltaico, y que constituye el elemento básico o ladrillo con el que se construyen los generadores fotovoltaicos.

El módulo fotovoltaico proporciona los niveles de voltaje y corrientes adecuados a cada aplicación, protege a las celdas frente a las agresiones de los agentes de la intemperie, las aísla el₫ctricamente del exterior y, por último, da rigidez mecánica al conjunto.

El tiempo de vida de los módulos, en condiciones normales de operación, debe ser superior a 20 años y viene determinado por la duración del encapsulado

El mercado ofrece distintos tipos de módulos. El más característico está constituido por entre 30 y 36 celdas solares de silicio cristalino, todas de igual tamaño, asociadas en serie y encapsuladas entre una lámina de vidrio o de tedlar que cubre la cara posterior. En función del tamaño de las celdas, la superficie de un módulo típico varía entre 0.1 y 0.5 metros cuadrados. Presenta dos bornes de salida, positiva y negativa y, a veces, alguna intermedia para permitir la instalación de diodos de protección.

Son varios los países y organismos que han implantado normativas de homologación relativas a la durabilidad de los módulos fotovoltaicos. Los países de la Comunidad Europea disponen de la norma CEC-Spec 503 que puede acreditarse en laboratorios asignados para tal fin. Estas normas no son, en general, de obligado cumplimiento.

Constitución de un módulo fotovoltaico

Componentes del módulo fotovoltaico

La cubierta frontal que es un vidrio con bajo contenido en hierro, para minimizar la absorción de la luz por el vidrio.

El encapsulante, necesario para la laminación; se trata de un polímero transparente, aislante y termoplástico, normalmente EVA (Etileno-Vinil-Acetato)

La cubierta posterior, normalmente una película Tedlar u otro vidrio.

Las celdas solares y las cintas metálicas que las unen

Recientemente se ha detectado una tendencia del EVA a colorearse y perder transparencia, debido a la degradación de los aditivos destinados a absorber la radiación ultravioleta. El fenómeno es serio únicamente cuando los módulos son utilizados en condiciones de elevada temperatura e iluminación.