Cómo funciona una célula fotovoltaica

Desde Atersa, nuestra empresa dedicada a la distribución y producción de equipos para la configuración de paneles solares y sistemas solares eléctricos, queremos contarte en este artículo cómo funciona una celda o célula fotovoltaica. Para entenderlo debes saber qué es exactamente una célula fotoeléctrica, cuáles son sus componentes, qué tipos puedes encontrar, cómo se construye una celda solar, cuáles son los materiales necesarios, y mucho más!

¡Te hablaremos a lo largo del post de todo ello! ¡No te pierdas cómo funciona un panel fotovoltaico!

¿Qué es una celda o célula fotovoltaica?

Las celdas fotovoltaicas (también llamadas células solares, célula fotovoltaica, fotocélula o celdas solares), tienen su origen en el año 1839 y fueron un descubrimiento realizado por Alexandre-Edmon Becquerel, un físico de origen francés que se dedicó al estudio del espectro solar, el magnetismo, la electricidad y la óptica, entre otras cosas.

Para que puedas entender bien cómo funcionan los paneles solares te explicamos qué es una celda solar de forma sencilla ya que es el corazón de los paneles.

Las células fotovoltaicas son mecanismos o dispositivos eléctricos que consiguen transformar la energía lumínica en energía eléctrica. Dicho de otro modo, son dispositivos que producen electricidad cuando la luz solar les alcanza o recae sobre ellos.

Componentes de una celda fotovoltaica

¿Te preguntas cuáles son los componentes de las celdas fotovoltaicas para comprender mejor cómo funcionan las celdas solares?

El principal componente de las celdas fotovoltaicas son los semiconductores. Estos semiconductores, normalmente están hechos en base silicio.

¿Por qué se utiliza normalmente el silicio? Se utiliza el silicio porque tiene unas propiedades muy ventajosas frente a otros materiales, es un elemento muy abundante en la corteza terrestre. Un átomo de silicio cuenta con 14 electrones repartidos en diferentes capas. La última capa consta de 4 electrones y se encuentra semivacía El silicio se tiene que dopar con otro elemento para generar una inestabilidad eléctrica, que lo convierta así en semiconductor de lo contrario al tener el mismo número de electrones que de protones es un elemento eléctricamente estable y no es útil para nuestro fin. Los dopantes más comunes son el fosforo (p-tipo) o el boro(n-tipo), esto genera que la última capa esté siempre buscando llenarse.

Pero, ¿cómo funcionan las celdas solares? El funcionamiento es más sencillo de lo que parece: la luz solar incide sobre la celda solar y una porción de ella es absorbida por el material semiconductor (sea el silicio u otro).

Es decir, el material semiconductor utilizado absorbe la luz del sol.

Cada fotón genera en el semiconductor lo que se conoce como par electrón-hueco dadas las propiedades del semiconductor cada uno se dirige a una parte de la célula, la cual, cuando es conectada a través del circuito externo, se generan la electricidad que observamos al encender, por ejemplo, una bombilla.

Tipos de celdas fotovoltaicas

Existen diferentes tipos de celdas fotovoltaicas, en función de su naturaleza y en función de su composición.

En este post haremos una distinción entre las celdas fotovoltaicas de silicio cristalino y las celdas fotovoltaicas de silicio multicristalino.

Celdas fotovoltaicas de silicio cristalino: estas celdas tienen un coste económico elevado con respecto a otro tipo de celdas fotovoltaicas y por ello su uso suele ser menos habitual. Su rendimiento es mayor y por lo tanto se aumenta su relación Wp/m2.
Celdas fotovoltaicas de silicio multicristalino: el rendimiento de las celdas fotovoltaicas de silicio multicristalino es bueno, aunque ligeramente más bajo que el de las celdas de silicio cristalino, sobre todo en condiciones de iluminación baja. No obstante, este tipo de celdas son más económicas que las anteriores y su eficiencia de conversión sigue siendo buena, gracias a los múltiples avances que ha sufrido este tipo de célula en los últimos 5 Años.

Materiales para la construcción de las celdas

Tal y como hemos mencionado en el apartado anterior del post, el silicio tanto en su forma cristalina como multicristalina son los más utilizados en la fabricación en masa de células o celdas fotovoltaicas.

No obstante, existen algunos otros materiales como, por ejemplo:

Arseniuro Galio (GaAs): es otro material que actúa como semiconductor que se utiliza para la fabricación de celdas FV, celdas con una gran eficiencia energética. En relación a este material, cabe señalar que ya existen investigaciones que han determinado que son capaces de alcanzar un 25% de eficiencia.

Silicio Amorfo (a-Si): esta estructura no es cristalina. Actualmente este material constituye más del 10% de toda la producción internacional ya que también se ha demostrado que es muy eficiente, pudiendo alcanzar el 10% de eficiencia.

Telururo de Cadmio (CdTe): es un material policristalino. Con este material se ha llegado a alcanzar el 16% de eficiencia, unas cifras que no dejan indiferente a ningún laboratorio.

Diseleniuro de Cobre Indio (CuInSe2, o CIS): es otro de los materiales policristalinos capaces de alcanzar un porcentaje muy elevado de eficiencia, casi del 20%. Teniendo en cuenta a otros materiales, este proporciona una gran eficiencia y ser flexibles. No obstante, su uso es limitado porque resulta complicado la fabricación, utiliza elementos químicos raros y controvertidos como el cadmio conocido por producir cáncer.

También hay otros sistemas, principalmente ópticos para aumentar la eficiencia de una célula sea del material que sea, como;

Concentradores: los concentradores son sistemas ópticos que utilizan las empresas que construyen paneles o celdas solares para mejorar la eficiencia de conversión, con metas que alcanzan más del 30% de eficiencia, al concentrar más luz en un punto.

Reflectores: los reflectores es otra de las técnicas utilizadas en la construcción de módulos o celdas solares. A diferencia de los concentradores que son lentes, los reflectores suelen ser espejos, usados para aumentar la intensidad lumínica sobre la célula y no suelen tener un poder de concentración superior al X4

Hay muchos otros materiales y o técnicas que se utilizan para la construcción de celdas solares. No obstante, estos que te hemos mencionado son los principales, necesarios para comprender mejor cómo funcionan los paneles solares.

Cómo se construye una celda solar

Hay muchas formas diferentes para construir celdas solares y ellas dependen del tipo de fabricante al que acudas. No obstante, todas ellas buscan mejorar la eficiencia y a la vez reducir los costes económicos de fabricación.

Sin embargo, una de las formas más habituales para construir células solares se puede resumir en los siguientes pasos: purificar el silicio, texturizar la superficie frontal, crear el emisor, reducir la reflexión de la superficie frontal y crear el contacto trasero y frontal.

¡Detallamos cada uno de estos pasos a continuación, pasos que te ayudarán a seguir descubriendo cómo funcionan las placas solares!

Purificar el silicio que se utilizará como base del semiconductor.
Fundir el silicio purificado para crear los lingotes, ya sean cilíndricos en el caso de las cristalinas, como en forma cúbica en el caso de las multicristalinas.
Cortarlo en las dimensiones exigidas, pulirlo y después limpiarlo para comenzar con el proceso de construcción.
A continuación, se texturiza la superficie, con el objetivo de disminuir la reflexión de la luz en la cara frontal. El concepto texturizar hace referencia al proceso a través del cual se realiza un ‘ataque químico’ para que la estructura quede en pirámides o irregular de diferentes tamaños. Estas pirámides que se han generado permiten disminuir la reflexión.
Tras el proceso de texturización de la superficie frontal se debe formar el emisor, el cual se forma a través de la difusión de átomos de fósforo. Formar el emisor no es un proceso muy rápido. Se realiza a través de un proceso llamado ‘dopado’ (o doping en inglés). El dopado se lleva a cabo mediante impurezas que se dedican a suministrar electrones gracias al fósforo, un conocido elemento químico. Pero, ¿cómo y dónde se lleva a cabo este proceso químico? En hornos que trabajan a temperaturas muy elevadas, entre los 800ºC y los 900ºC. Aquí es donde se utiliza el fósforo o el boro según el tipo de célula a obtener (N o P)
A continuación, se colocan capas muy finas de SiO2 o el SINx, con la intención de reducir todavía más la reflexión de la superficie frontal. Tras este paso, se forma el contacto frontal sobre el emisor ya construido. El contacto que se ha creado tiene la tarea de recoger los electrones que se generan en la celda por la radiación solar.
Por último, se crea el contacto trasero con un material muy parecido al empleado en el contacto frontal. Tanto este contacto (el frontal) como el contacto trasero se someten a elevadas temperaturas con el objetivo de conseguir que el metal se adhiera correctamente al silicio.

Posteriormente estas células se agrupan eléctricamente en serie y o paralelo y se someten a un proceso de encapsulación, el cual se explicará en otro post, obteniendo con ello un panel solar listo para su instalación ¡Ahora ya sabes cómo funciona un panel solar para generar electricidad! Recuerda que cada día las energías renovables cobran más importancia en la sociedad. Esto no solo se debe a que son una fuente inagotable de energía, también se debe a que no son contaminantes ni producen ningún tipo de gas ‘efecto invernadero’. En Atersa sabemos que el crecimiento de estas energías es imparable y que por ello cada día hay más personas interesadas en conocer y descubrir su funcionamiento y sus entresijos.

Y no solo es imparable por lo mencionado con anterioridad, ahora mismo, gracias a la derogación del impuesto del sol definida en el Real Decreto-Ley 15/2018 de 5 de octubre, de medidas urgentes para la transición energética y la protección de consumidores Octubre, se han facilitado las instalaciones de paneles solares, por lo que su demanda está en auge.

Por ello hemos querido empezar contándote en qué consisten las celdas fotovoltaicas, cómo funciona una fotocélula solar con la intención de que conozcas un poco más cómo se genera la energía solar.