Células solares fotovoltaicas: qué son y cómo funcionan

Actualizado: 27/12/2022

La energía solar vive mejores tiempos, cada día se instalan miles de nuevos paneles solares alrededor del mundo, generando electricidad limpia y gratuita. Pero, ¿sabes cómo funcionan las células o celdas solares? ¿Cómo son capaces de generar electricidad? Te lo contamos.

Qué son las células solares fotovoltaicas.

Las células solares fotovoltaicas son dispositivos que convierten la energía del sol en electricidad. Están compuestas por materiales semiconductores, como el silicio, que reaccionan a la luz del sol y producen una corriente eléctrica.

Cuando la luz del sol incide en una célula solar fotovoltaica, los fotones de luz excitan a los electrones en el material semiconductor. Estos electrones se mueven hacia el exterior de la célula y pueden ser capturados y utilizados para generar electricidad.

Las células solares fotovoltaicas se utilizan comúnmente en sistemas de energía solar fotovoltaica, que se utilizan para producir electricidad a partir de la energía solar en lugar de utilizar combustibles fósiles. Estos sistemas se utilizan a menudo en hogares y edificios comerciales y pueden proporcionar electricidad de manera eficiente y sostenible. También se utilizan en aplicaciones móviles, como cargadores de batería portátiles y dispositivos electrónicos, y en sistemas de energía a gran escala para proporcionar electricidad a la red eléctrica.

¿Que producen las células fotovoltaicas?

Las células solares fotovoltaicas producen electricidad a partir de la luz del sol. Cuando la luz del sol incide en una célula solar fotovoltaica, los fotones de luz excitan a los electrones en el material semiconductor de la célula. Estos electrones se mueven hacia el exterior de la célula y pueden ser capturados y utilizados para generar electricidad.

La electricidad producida por las células solares fotovoltaicas es corriente continua (CC), lo que significa que fluye en una sola dirección. Para que pueda ser utilizada en la mayoría de los dispositivos eléctricos, la corriente continua debe ser convertida a corriente alterna (CA), que es el tipo de corriente que se utiliza en la mayoría de los hogares y edificios comerciales. Esta conversión se realiza mediante un inversor, que convierte la corriente continua en corriente alterna para que pueda ser utilizada en la red eléctrica.

Las células solares fotovoltaicas son una fuente de energía renovable y sostenible, ya que producen electricidad a partir de la luz del sol, que es una fuente de energía inagotable y libre. También son una forma eficiente de generar electricidad, ya que pueden producir energía durante todo el día, siempre y cuando haya suficiente luz solar disponible. Además, no emiten dióxido de carbono ni otros gases de efecto invernadero durante el proceso de producción de electricidad, lo que los convierte en una opción sostenible y respetuosa con el medio ambiente.

Cómo funcionan las células solares fotovoltaicas

El sol es la energía más accesible en la tierra, pero para poder convertirla en electricidad necesitamos un elemento también muy abundante, la arena.

Es necesario convertir la arena a cristales de silicio con una pureza del 99,999 % si queremos usarla en la fabricación de células solares fotovoltaicas. Para lograrlo, la arena tiene que someterse a un complejo proceso de purificación para conseguir silicio en bruto (98% pureza).

Este silicio en bruto se convierte en una forma compuesta de silicio gaseoso, después se mezcla con hidrógeno para obtener silicio policristalino altamente purificado. El proceso se complica un poco más en caso de querer obtener silicio monocristalino, más caro de producir aunque también de mejor rendimiento.

Este silicio policristalino o monocristalino se moldea para fabricar obleas. Estas obleas son el núcleo central de las células solares fotovoltaicas.

En esta estructura los átomos de silicio están unidos entre si. Sabemos que los electrones dentro de esta estructura no tienen libertad de movimiento.

Si inyectamos a la estructura átomos de fósforo de 5 electrones de valencia, dopaje tipo N, cuando la luz solar alcanza a los electrones, estos ganan energía fotónica, que los hace capaces de moverse libremente. Sin embargo, este movimiento aleatorio de los electrones no produce ninguna corriente a través de la carga.

Para que los electrones se muevan unidireccionalmente, se necesita una fuerza motriz. Una forma sencilla de producir esta fuerza motriz es una unión P-N.

¿Cómo una unión P-N produce la fuerza motriz?

Si inyectamos boro con 3 electrones de valencia en el silicio puro habrá un agujero para cada átomo. A esto se le denomina dopaje tipo P. Si los dos tipos de materiales dopados se unen, algunos electrones del lado N irán a la región P y llenarán los agujeros disponibles. Así se forma una región de agotamiento, donde no hay electrones libres ni agujeros.

Gracias a la migración de electrones, el lado N se carga positivamente y el lado P se carga negativamente, lo que formará un campo eléctrico entre las cargas. Este campo eléctrico produce la fuerza motriz necesaria.

Cuando la luz incide sobre la región N, penetra hasta la región de agotamiento, donde se producen electrones y agujeros que son repelidos hacia la región N y P respectivamente gracias al campo eléctrico. La concentración de electrones en la región N y de agujeros en la región P se vuelven tan altos que se producirá una diferencia de potencial entre ellos.

Ahora si conectamos cualquier carga entre estas dos regiones, los electrones comenzarán a fluir a través de la carga, combinándose con los agujeros de la región P, produciendo electricidad.

En las células solares comerciales, para aumentar el rendimiento energético, la capa N es muy fina y está muy copada, mientras que la capa inferior P es más gruesa y está escasamente dopada, lo que aumenta el grosor de la región de agotamiento y así la generación de electricidad.

Las células solares forman paneles solares conectando un número determinado de ellas tanto en serie como en paralelo, a través de uniones de cobre.

Componentes de las células solares fotovoltaicas.

Las células solares fotovoltaicas están compuestas por varios componentes que trabajan juntos para convertir la luz del sol en electricidad. Estos componentes incluyen:

1. Material semiconductor: El material semiconductor es la capa principal de una célula solar fotovoltaica. El material semiconductor más comúnmente utilizado es el silicio, que se encuentra en la mayoría de las células solares fotovoltaicas. Otros materiales semiconductores comunes incluyen el arsénico, el antimonio y el telurio.
2. Capa de dopaje: La capa de dopaje es una capa fina de material semiconductor que se aplica sobre la capa principal de material semiconductor. Esta capa se dopa con impurezas, como el fósforo o el boro, para crear una capa de carga negativa (n-type) o una capa de carga positiva (p-type). Estas capas de carga opuestas crean una fuerza electromotriz en la célula solar, que es necesaria para generar electricidad.
3. Electrodo: Los electrodos son capas conductoras que se aplican sobre las capas de dopaje en la parte superior e inferior de la célula solar fotovoltaica. Los electrodos se utilizan para recoger y transferir la electricidad generada por la célula solar.
4. Capa protectora: La capa protectora es una capa de material transparente que se aplica sobre la capa de dopaje para proteger la célula solar de la humedad y los daños mecánicos. También ayuda a mejorar la eficiencia de la célula solar al permitir que la luz del sol entre en la célula sin ser absorbida por otros materiales.
5. Marco: El marco es una estructura de soporte que se utiliza para fijar la célula solar fotovoltaica a un panel o sistema de energía solar fotovoltaico. También ayuda a proteger la célula solar de daños mecánicos y a mejorar su durabilidad.

Tipos de células solares fotovoltaicas.

Existen varios tipos de células solares fotovoltaicas, que se diferencian por el material semiconductor que se utiliza en su fabricación. Algunos de los tipos más comunes de células solares fotovoltaicas son:

1. Células solares fotovoltaicas de silicio monocristalino: Estas células solares fotovoltaicas están hechas de un único cristal de silicio y son las más eficientes en términos de conversión de energía solar a electricidad. Sin embargo, son también las más caras de producir debido al proceso de fabricación complejo.
2. Células solares fotovoltaicas de silicio policristalino: Estas células solares fotovoltaicas están hechas de múltiples cristales de silicio y son ligeramente menos eficientes que las células solares fotovoltaicas de silicio monocristalino. Sin embargo, son más fáciles y más baratas de producir.
3. Células solares fotovoltaicas de silicio amorfo: Estas células solares fotovoltaicas están hechas de una capa delgada de silicio amorfo (no cristalino) y son las menos eficientes en términos de conversión de energía solar a electricidad. Sin embargo, son más fáciles y más baratas de producir que otras células solares fotovoltaicas y son adecuadas para aplicaciones en las que se necesita una mayor superficie fotovoltaica.
4. Células solares fotovoltaicas de materiales no convencionales: Existen también células solares fotovoltaicas hechas de materiales no convencionales, como el grafito, el cobre, el indio, el selenio y el hierro. Estas células solares fotovoltaicas tienen la ventaja de ser más baratas de producir que las células solares fotovoltaicas de silicio, pero son menos eficientes en términos de conversión de energía solar a electricidad.