Paneles fotovoltaicos: qué son, cómo funcionan, para qué sirven

Actualizado: 27/05/2022

Fue en Murray Hill, Nueva Jersey, donde muchos afirman que se fabricó el primer panel solar. En 1954, tres científicos que investigaban para la compañía Bell Telephone realizaron experimentos con tiras de silicio que condujeron al desarrollo de una célula solar. Anunciaron el invento usándolo para alimentar una pequeña noria de juguete y un transmisor de radio, y poco después registraron la patente de una célula solar de silicio que alcanzaba un 6% de eficiencia.

En todo el mundo se aumentó la producción de paneles solares a lo largo del siglo siguiente, alimentando edificios e incluso usando la energía solar como combustible para las naves espaciales de la NASA.

Cómo funcionan los paneles fotovoltaicos.

Las placas fotovoltaicas, o paneles solares fotovoltaicos, transforman la luz del sol en energía utilizable convirtiendo la luz en un campo eléctrico que luego fluye hacia un cable conductor.

El cable conductor fluye hacia el inversor, que transforma la electricidad en una corriente alterna que puede utilizarse para alimentar una propiedad.

Tal vez recuerdes de las clases de física que la luz solar visible está compuesta por partículas invisibles llamadas fotones. Éstas tienen energía pero una masa en reposo nula. La energía de los fotones se convierte en diferentes formas cuando chocan con otras partículas, y estas formas están determinadas por el tipo de átomos con los que chocan.

¿Cómo producen electricidad los paneles fotovoltaicos?

Una colisión sólo genera calor en la mayoría de los casos. La electricidad se produce cuando los átomos se agitan por los fotones y se dividen.

En los paneles fotovoltaicos, se produce un flujo de electrones entre el silicio de tipo n y el de tipo p, ya que los electrones del silicio de tipo n buscan a los del silicio de tipo p para eliminar los electrones que les faltan.

Es posible que los semiconductores, como el silicio, soporten los desequilibrios eléctricos debido a sus notables propiedades. Los paneles fotovoltaicos, por tanto, producirán electricidad siempre que los fotones incidan sobre ellos. Los cables se utilizan para recoger y transportar la corriente por todo el sistema.

Pérdida de energía en una célula solar.

En algunos casos, los paneles fotovoltaicos tienen un aspecto azul debido al silicio (policristalino) usado para su fabricación. Este color azul se debe principalmente a un revestimiento antirreflectante que mejora la capacidad de absorción y la eficiencia de los paneles fotovoltaicos.

Por otro lado, se ha demostrado que los paneles fotovoltaicos negros (monocristalinos) tienen una mayor calificación en cuanto a su eficiencia, ya que las superficies negras absorben mejor la luz.

Muchas personas eligen los paneles fotovoltaicos monocristalinos porque los paneles negros combinan mejor con el color de su casa o tejado. Esta es también la razón por la que algunos paneles solares son azules y otros son negros.

Componentes de un panel fotovoltaico.

Una célula solar está compuesta por material semiconductor. Los semiconductores conducen la electricidad mejor que un aislante, pero no son tan eficientes como un material como el metal. Normalmente, los paneles fotovoltaicos tienen cuatro capas distintas:

• Capa de silicio. El silicio, fabricado a partir de arena fundida, se corta en finas capas. La capa de silicio facilita el flujo de energía y la creación de un campo eléctrico. Por sí solas, estas capas de silicio son increíblemente frágiles.
• Soporte metálico y bandas conductoras. Los paneles fotovoltaicos tienen un soporte metálico y tiras metálicas conductoras para apoyar la frágil capa de silicio y permitir que la corriente fluya por el panel solar hacia los demás componentes.
• Capa antirreflectante. Hay una película de material antirreflectante en la parte superior de cada célula solar. Esta capa contribuye a la eficiencia de la célula. A medida que los científicos siguen desarrollando la tecnología de la energía solar, los revestimientos antirreflectantes son cada vez más eficaces.
• Capa de vidrio y marco. Una capa adicional de vidrio cubre los paneles para protegerlos de los daños causados por el clima y los elementos. Esta capa protectora contiene diferentes tipos de vidrio. Es esencial invertir en vidrio de alta calidad, ya que los materiales de menor calidad pueden enturbiarse o dañarse. Un marco resistente también simplifica la instalación y el mantenimiento, ya que el panel solar puede montarse fácilmente. Para que un panel solar sea duradero, los marcos suelen ser de aluminio y se interconectan con el resto de la estructura de montaje.

¿Quién inventó los paneles fotovoltaicos?

La historia de los paneles solares foltovoltaicos se remonta a cientos de años atrás. Fueron necesarias muchas innovaciones por parte de muchas personas para llegar al panel solar moderno.

El efecto fotovoltaico fue descubierto por un joven científico francés llamado Edmund Becquerel en 1839 cuando experimentaba con un par de electrodos metálicos.

Mucha gente no sabe que Albert Einstein ganó el Premio Nobel en 1921 por sus investigaciones, que se remontan a 1900, y por un artículo técnico que explica el efecto fotoeléctrico. En 1954, los Laboratorios Bell habían inventado una célula solar con una eficiencia del 4%.

Eficiencia de los paneles solares fotovoltaicos.

La industria actual de paneles solares fotovoltaicos se compone principalmente de paneles con una eficiencia de entre el 15% y el 22% y de grandes valores atípicos en ambos extremos de la gama.

La mayoría de los paneles fotovoltaicos del mercado no tienen una eficiencia superior al 20%. Los paneles solares de alta calidad pueden ofrecer una eficiencia superior al 22%, aunque algunos llegan al 24%.

Si te interesa este tema puedes obtener más información en este artículo: ¿Qué es exactamente la eficiencia en los paneles solares fotovoltaicos?

¿Funcionan los paneles fotovoltaicos con tiempo nublado?

Tanto la luz solar indirecta como la directa pueden usarse para generar electricidad, pero en general, los paneles fotovoltaicos generan más electricidad con la luz solar directa que con la indirecta. En caso de nubosidad, los paneles solares seguirán funcionando aunque parte de la luz se refleje.

Si quieres profundizar más en este tema, puedes consultar este artículo: ¿Funcionan las placas solares en días nublados? ¿Y por la noche?

¿Existen tecnologías solares alternativas a la fotovoltaica?

A la hora de buscar instaladores de paneles solares, es importante conocer todas las tecnologías solares disponibles en la actualidad. Una de las preguntas más frecuentes es si existen alternativas a la fotovoltaica.

• Energía termosolar de concentración. Estos sistemas generan energía solar usando espejos o lentes para concentrar una gran área de luz solar en un receptor.

• Colectores solares. La energía del sol se usa para calentar el agua de tu casa mediante sistemas de calentamiento solar de agua. Su casa puede generar agua caliente a partir del sol con un sistema de agua caliente solar. Los colectores solares de su tejado recogen el calor del sol. Al instalar un calentador de agua solar, puedes eliminar esencialmente el coste del calentamiento del agua.

¿Cómo funciona la conexión a la red con los paneles fotovoltaicos?

En la mayoría de los casos, los propietarios de viviendas que instalan paneles solares fotovoltaicos en sus casas deciden conectarse a la red. De este modo, los paneles fotovoltaicos y la red eléctrica pueden suministrar energía a la vivienda.

La energía solar es intermitente, no produce electricidad si no hay sol. Por ello, las viviendas solares conectadas a la red eléctrica utilizarán la energía de la red para satisfacer sus necesidades energéticas. Se trata de un proceso perfecto para el propietario de la vivienda, ya que se produce automáticamente sin que tenga que hacer nada.

Por otro lado, si los paneles solares producen más electricidad de la que una casa conectada a la red puede utilizar, la electricidad extra se devolverá a la red eléctrica. La electricidad solar producida será entonces usada por sus vecinos. De este modo, la electricidad no se desperdicia.

Fabricación de paneles fotovoltaicos.

Con fabricación de paneles fotovoltaicos nos referimos a la fabricación y el ensamblaje de materiales a lo largo de la cadena de suministro solar.

Esto incluye no sólo los paneles solares fotovoltaicos, sino también elementos como baterías, inversores y equipos de estanterías, cada uno con su propia composición química y física.

En relación con la procedencia de las piezas clave de los paneles solares, el montaje en sí es bastante sencillo. Así pues, cabe preguntarse de qué están hechos los paneles solares fotovoltaicos.

¿De que están hechos los paneles fotovoltaicos?

Prácticamente todos los paneles solares fotovoltaicos usan obleas de silicio cristalino como material principal.

De arriba a abajo, un panel solar colocado en un tejado se compone de:

• un marco.
• una cubierta de vidrio.
• un encapsulante que proporciona protección contra la intemperie.
• células fotovoltaicas.
• otro encapsulante.
• una lámina posterior que proporciona más protección.
• una caja de conexiones que conecta el panel a un circuito eléctrico.
• y otros adhesivos y selladores entre las piezas.

El silicio se usa para crear semiconductores para aproximadamente el 95% de todos los paneles fotovoltaicos del mercado actual.

Los paneles fotovoltaicos también requieren marcos de aluminio, una lámina posterior, una caja de conexiones y suelen estar cubiertos por una capa de vidrio con un revestimiento antirreflectante.

Todas estas piezas deben adquirirse por separado y están compuestas por materias primas únicas, como el cuarzo y el cobre.

El silicio, que es con diferencia el semiconductor más usado en la tecnología solar, también se ha convertido en un material vital por su uso en los chips de los ordenadores y la electrónica moderna. El silicio se extrae de materiales como el cuarzo (dióxido de silicio, SiO₂), y se somete a un proceso de purificación e intensificación antes de poder usarlo como silicio puro.

Los fabricantes solares pueden usar materiales reciclados para los soportes de aluminio, pero la obtención de materiales más sostenibles para el vidrio antirreflectante o el cableado de cobre se ha convertido en un reto.

Más adelante explicaremos por qué esto es importante, pero estas cadenas de suministro son las que hacen tan complejo el seguimiento del impacto de una empresa solar. Un producto final puede anunciarse como fabricado en Europa, aunque el 90% de lo que lo compone proceda del sudeste asiático.

La cadena de suministro global.

Para determinar dónde se fabrican los paneles solares es necesario rastrear la cadena solar desde el producto final hasta sus componentes y las materias primas de las que están hechos.

Todos los componentes de un panel fotovoltaico se fabrican a partir de componentes más pequeños, que a su vez se fabrican con materias primas procedentes de muchas regiones.

Los módulos solares en sí están hechos de células solares, que a su vez están hechas de obleas de silicio, las finas láminas de silicio que se usan como semiconductores en toda la electrónica, incluidos los paneles fotovoltaicos.

China controla al menos el 60% de la fabricación de obleas, incluido el 25% de una sola empresa, Longi Green Energy Technology Co, la mayor empresa solar del mundo.

Al principio de la cadena de suministro, las obleas de silicio se fabrican con polisilicio de calidad solar. Casi la mitad (el 45%) de ese polisilicio se produce en la región uigur del oeste de China, donde un informe revelador ha puesto en evidencia la migración forzada y el trabajo forzado de la población indígena uigur. Este importante problema de derechos humanos no sólo afecta a la industria solar, sino que se extiende a toda la industria electrónica que depende de los semiconductores de silicio.

Entre los demás componentes de un módulo solar, los marcos, hechos de aluminio, pueden ser el aspecto más sostenible, ya que la mayor fuente de aluminio (casi el 40%) procede de productos reciclados. La gran mayoría de los fabricantes de marcos tienen su sede en China. Lo mismo ocurre con el vidrio, los encapsulantes y los materiales de la lámina posterior, donde China domina las industrias, seguida de Alemania.

Tipos de paneles solares fotovoltaicos.

Existen 4 tipos principales de paneles solares disponibles en el mercado actual: monocristalinos, policristalinos, PERC y de capa fina.

• Paneles solares monocristalinos. También conocidos como paneles monocristalinos, están hechos de un único cristal de silicio puro que se corta en varias obleas. Al estar hechos de silicio puro, se pueden identificar fácilmente por su color negro oscuro. El uso de silicio puro también hace que los paneles monocristalinos sean los más eficientes en términos de espacio y los más duraderos de los tres tipos de paneles solares. Sin embargo, esto tiene un coste: para producir una célula monocristalina se desperdicia mucho silicio, a veces más del 50%. El resultado es un precio elevado.
• Paneles solares policristalinos. Como su nombre indica, proceden de diferentes cristales de silicio en lugar de uno. Los fragmentos de silicio se funden y se vierten en un molde cuadrado. Esto hace que las células policristalinas sean mucho más asequibles, ya que apenas hay desperdicio, y les da esa característica forma cuadrada. Sin embargo, esto también las hace menos eficientes en términos de conversión de energía y de espacio, ya que su pureza de silicio y su construcción son menores que las de los paneles monocristalinos. También tienen una menor tolerancia al calor, lo que significa que son menos eficientes en entornos de alta temperatura.
• Paneles PERC. Los paneles solares PERC son una mejora de la célula monocristalina tradicional. Esta tecnología relativamente nueva añade una capa de pasivación en la superficie posterior de la célula que mejora la eficiencia. Los paneles PERC permiten una mayor captación de energía solar en un espacio físico menor, lo que los hace ideales para espacios limitados. Su producción es ligeramente más cara que la de los paneles tradicionales, debido a los materiales añadidos que se necesitan, pero se pueden fabricar en el mismo equipo, y pueden acabar teniendo un coste medio por vatio más bajo debido a su eficiencia.
• Paneles solares de capa fina. Se caracterizan por tener capas muy finas que son lo suficientemente delgadas como para ser flexibles. Cada panel no requiere un marco de soporte, lo que los hace más ligeros y fáciles de instalar. A diferencia de los paneles de silicio cristalino, que vienen en tamaños estandarizados de 60, 72 y 96 células, los paneles de película fina pueden venir en diferentes tamaños para adaptarse a necesidades específicas. Sin embargo, son menos eficientes que los típicos paneles solares de silicio.

Principales fabricantes mundiales de paneles fotovoltaicos.

Suponemos que ninguna de las empresas de energía solar que aparecen a continuación realiza todas sus operaciones únicamente en su país de origen.

Las mejores empresas del sector son entidades internacionales que se abastecen y distribuyen recursos en múltiples países.

La cadena de suministro solar es realmente global, por lo que responder a la pregunta «¿dónde se fabrican los paneles solares?» resulta tan complicado.

Lista de los principales fabricantes de energía solar, junto con la ubicación de sus sedes:

• SunPower: Estados Unidos.
• Trina: China.
• Q Cells: Corea del Sur.
• REC: Singapur.
• Canadian Solar: Canadá.
• Jinko Solar: China.
• LONGi Solar: China.
• JA Solar: China.

¿Por qué es importante dónde se fabrican los paneles fotovoltaicos?

La fabricación de paneles fotovoltaicos requiere un complejo proceso de extracción, purificación y ensamblaje, y cada paso conlleva su propio impacto.

Para los consumidores concienciados que buscan respuestas sobre dónde se fabrican los mejores paneles solares, el lugar de producción no importa tanto como la forma en que se fabrica un panel solar. He aquí algunas razones:

• Impactos humanitarios. Lamentablemente, la fabricación de energía solar no ha disfrutado de su crecimiento sin casos de problemas de derechos humanos que la acompañen. En los últimos dos años ha salido a la luz el genocidio por la represión china y el trabajo forzado de uigures y otras minorías musulmanas en Xinjiang, de donde procede una parte importante del polisilicio mundial (el material principal del silicio utilizado para las células solares). La industria solar ha respondido para ayudar a apoyar y garantizar una cadena de suministro solar ética.
• Impacto medioambiental. Los retos medioambientales que rodean el despliegue a gran escala de la energía solar provienen de la minería, las emisiones de la depuración y la eliminación de los paneles fotovoltaicos al final de su vida útil. Empresas como SunPower, REC y First Solar lideran iniciativas de reciclaje de paneles solares y desarrollan células solares diseñadas para ser reutilizadas mediante una economía circular.
• Impacto económico. El potencial económico de la energía solar en el mundo requiere más inversiones (públicas y privadas) en esta tecnología en expansión. La carrera mundial por liderar la economía de la energía limpia está en marcha, y aprovechar el potencial de la energía solar ofrece algo más que beneficios medioambientales. Con un coste de la energía solar tan bajo como el de 2022 y un mercado potencial de un tamaño tan asombroso, la producción y fabricación de energía solar ofrece una enorme oportunidad económica con la inversión adecuada.

¿Son reciclables los paneles fotovoltaicos?

Los paneles solares están fabricados en su mayoría con materiales que pueden ser reciclados o reutilizados.

Componentes como el vidrio y ciertos metales constituyen el 80% de la masa del panel solar y son relativamente fáciles de recuperar. Los polímeros y los componentes electrónicos de los paneles solares también pueden reciclarse.

La realidad del reciclaje de los paneles fotovoltaicos es más complicada que simplemente desmontarlos y reutilizar los componentes.

Los procesos de reciclaje actuales no son muy eficientes, y recuperar los materiales suele costar más que producir un panel nuevo.

Sin embargo, existen importantes incentivos para optimizar el reciclaje de los paneles solares: reducir los costes, disminuir el impacto medioambiental de las emisiones de la fabricación y mantener los residuos electrónicos tóxicos fuera de los vertederos. Dada la rápida expansión de la tecnología solar, el reciclaje de paneles solares es una parte cada vez más importante del mercado de la energía solar.

Por qué es importante el reciclaje de paneles solares.

Los paneles solares llegan al final de su vida útil después de unos 30 años.

A medida que aumenta el uso de los paneles solares, también lo hace la cantidad de residuos de los paneles rotos o retirados. Se avecina un aumento significativo de los residuos de paneles solares. De hecho, algunos estudios afirman que en 2050, los residuos de los paneles solares podrían representar el 10% del total de los residuos electrónicos del mundo.

En la actualidad, cerca del 90% de los paneles solares acaban en los vertederos, donde, como todos los residuos electrónicos, acaban filtrando sustancias químicas tóxicas al suelo y al suministro de agua.

Además de ser mejor para el medio ambiente, el reciclaje de paneles solares tiene un beneficio económico. En los próximos 30 años, las piezas de los paneles solares reciclados podrían tener un valor estimado de 15.000 millones de dólares y podrían producir hasta 630 GW de electricidad si se usaran en módulos nuevos.

Cómo funciona el reciclaje de paneles solares.

El vidrio, el plástico y el metal, los principales componentes de un panel solar, pueden reciclarse por separado.

Pero en un panel solar en funcionamiento, todos esos materiales se combinan para formar un único producto. El reto del reciclaje consiste en separar los componentes para reciclarlos eficazmente, así como en tratar las células de silicio, que requieren un proceso de reciclaje más especializado.

Para todos los tipos de paneles solares, primero hay que separar del panel el cable, la caja de conexiones y el marco. Los paneles fabricados con silicio se suelen triturar o desmenuzar y, a continuación, los materiales se separan mecánicamente y se envían a diferentes procesos de reciclaje en función del tipo de material. En algunos casos, los paneles se someten a un proceso similar de separación mecánica de los componentes, pero después tienen que pasar por un proceso de separación química conocido como delaminación para eliminar la capa de polímero del vidrio y el material semiconductor.

Componentes como la plata, el cobre, el aluminio, el cable aislado, el silicio y el vidrio pueden separarse mecánica o químicamente y reciclarse.

El reciclaje de los componentes de un panel solar de teluro de cadmio (CdTe) es más complicado que el proceso utilizado para los paneles solares con células hechas de silicio. Implica varios pasos de separación física, así como de separación química y precipitación de metales.

Otros procesos de reciclaje implican la quema térmica de los polímeros del panel, o incluso el corte de los componentes.

Las innovaciones destinadas a optimizar el proceso de reciclaje y a recuperar los materiales de mayor pureza son constantes. Por ejemplo, Veolia, una empresa francesa, utiliza robots para separar las partes de los paneles solares de silicio para su reciclaje y tiene capacidad para procesar 1.800 toneladas de materiales de paneles solares al año. Tiene previsto ampliar esa capacidad a 4.000 toneladas en 2022.

El estado actual del reciclaje de paneles solares.

Normalmente, cuando los fabricantes de energía solar recuperan los paneles solares usados, pueden eliminarlos o reciclarlos.

Lamentablemente, debido al proceso de reciclaje de los paneles, que requiere mucha mano de obra, y a la economía del proceso, la mayoría de los paneles solares acaban en los vertederos. Si un tipo concreto de panel tiene una mayor cantidad de tierras raras o metales valiosos, es más probable que se recicle, ya que el beneficio de recuperar los metales es mayor que el coste.

Cuando se reciclan los paneles solares, la mayoría de las veces se hace en plantas de reciclaje de vidrio. El vidrio especializado de los paneles solares se mezcla con el vidrio normal para usarlo como aislante. Sin embargo, la industria solar se está centrando en optimizar el proceso de reciclaje, y los países están estudiando la posibilidad de construir nuevas plantas de reciclaje específicas para los paneles solares.

En 2012, la Unión Europea promulgó la directiva de Residuos de Aparatos Electrónicos y Eléctricos (RAEE), que exige el reciclaje de residuos electrónicos como los paneles solares para proteger la salud humana y el medio ambiente. Debido a esta normativa, Europa se convirtió en el único continente que cuenta con centros de reciclaje dedicados a reciclar paneles solares.

Otros países, como Australia, India, Japón y Corea del Sur, han desarrollado sus propias normativas para el reciclaje de paneles solares. En Estados Unidos se deja en manos de los estados.