Tipos de Células Solares: Funcionamiento, Diseño y Aplicaciones Prácticas

En este artículo aprenderás sobre las células solares y su principio de funcionamiento, los diferentes tipos de células solares, su construcción y aplicación. También puedes descargar el archivo PDF gratuito de este artículo.

Célula Solar y Tipos

¿Qué es una Célula Solar?

En la conversión fotovoltaica (FV), la radiación solar incide sobre dispositivos semiconductores llamados células solares que convierten la luz solar directamente en electricidad.

Un diagrama esquemático de una célula fotovoltaica (célula FV) o célula solar se muestra en la figura.

Se basa en el efecto que la luz tiene en la unión entre dos tipos de semiconductores llamados tipo p y tipo n. El tipo n tiene un exceso de electrones y el tipo p tiene una escasez de electrones.

Cuando una luz brillante incide en una célula, la energía de la luz, es decir, los fotones, permite que los electrones se liberen de la unión entre ellos.

Esto se llama efecto fotoeléctrico. Para silicio monocristalino (4 electrones de valencia), 'p' se obtiene dopando silicio con boro (3 electrones de valencia) y tiene típicamente 1 µm de espesor; 'n' se obtiene dopando con arsénico o fósforo (5 electrones de valencia) y tiene típicamente 800 µm de espesor.

Leer también: ¿Qué es un Panel Solar? Sus Tipos, Funcionamiento, Ventajas y Más

Tipos de Células Solares

A continuación se presentan los diferentes tipos de células solares utilizados en paneles solares:

1. Células solares de silicio amorfo (a-Si).
2. Célula solar biohíbrida.
3. Célula solar de contacto enterrado.
4. Célula solar de telururo de cadmio (Cd Te).
5. Célula PV concentrada (CVP y HCVP).
6. Células solares de seleniuro de cobre, indio y galio (CI(G)S).
7. Célula solar de silicio cristalino (C-Si).
8. Célula solar sensibilizada por colorante.
9. Célula solar híbrida.
10. Célula solar de múltiples uniones.
11. Célula solar monocristalina.
12. Célula solar de nanocristales.
13. Célula fotoelectroquímica.
14. Célula solar de estado sólido.
15. Célula solar de película delgada.
16. Células solares basadas en obleas.

#1 Células Solares de Silicio Amorfo (a-Si)

Son versiones modificadas de células solares de película delgada. Este tipo usa tres capas de silicio amorfo para que cada una tenga diferente energía de banda prohibida. Las diferentes bandas prohibidas permiten que cada capa responda a una parte diferente del espectro de energía del Sol como forma de aumentar la eficiencia de conversión.

Las células amorfas ofrecen mayor eficiencia que otros tipos y están fácilmente disponibles. Pero requieren el doble de superficie para producir la misma potencia que una célula solar monocristalina.

#2 Célula Solar Biohíbrida

Las células solares biohíbridas están compuestas de materia orgánica (que contiene carbono) que es fotosistema y materia inorgánica (no carbono). Varias capas del fotosistema recogen energía fotónica, la convierten en energía química y crean una corriente que pasa a través de la célula.

La principal ventaja de una célula solar biohíbrida es que convierte la energía solar en electricidad con 100% de eficiencia. Esto significa que se pierde poca o ninguna potencia en el cambio de energía química a eléctrica.

#3 Célula Solar de Contacto Enterrado

La célula solar de contacto enterrado es una tecnología de célula solar de alta eficiencia. Estos tipos operan basados en un contacto metálico plateado dentro de una ranura formada por láser.

Pueden dar un mejor rendimiento de aproximadamente 25% comparado con células solares comerciales impresas en pantalla. Las ganancias de eficiencia en la tecnología de contacto enterrado proporcionan beneficios sustanciales de coste y rendimiento.

#4 Célula Solar de Telururo de Cadmio (Cd Te)

Este tipo de célula solar usa telururo de cadmio en una capa semiconductora delgada diseñada para absorber y convertir la luz solar en electricidad. Actúan como la capa principal de fotoconversión y absorben la mayor parte de la luz visible dentro del primer micrón del material.

En la que la capa TCO crea un campo eléctrico que convierte la luz absorbida en la capa CdTe en corriente y voltaje. Estos sistemas son mucho más eficientes que el silicio cristalino comparable.

#5 Célula PV Concentrada (CVP y HCVP)

Las células PV concentradas generan energía eléctrica de la misma manera que los sistemas fotovoltaicos convencionales. CVP típicamente usa espejos curvos para enfocar la luz solar en pequeñas células solares multi-unión de alta eficiencia. Estas pueden proporcionar mayor eficiencia de aproximadamente 40% y también son más baratas.

#6 Células Solares de Seleniuro de Cobre, Indio y Galio (CI(G)S)

Una célula solar de seleniuro de cobre, indio y galio se usa para convertir la energía de la luz solar en energía eléctrica. Generalmente se fabrica depositando una capa delgada de cobre, indio, galio y selenio sobre un respaldo de vidrio o plástico, junto con electrodos de ida y vuelta para almacenar la corriente.

Dado que el material tiene un alto coeficiente de absorción y absorbe fuertemente la luz solar, se requiere una película mucho más delgada. Estos materiales pueden absorber una porción significativa del espectro solar, permitiéndoles alcanzar la mayor eficiencia.

#7 Célula Solar de Silicio Cristalino (C-Si)

El silicio cristalino es el principal material semiconductor usado en tecnología fotovoltaica para producir células solares. Estas células están compuestas de partículas de silicio unidas para formar una red cristalina.

Esta red cristalina proporciona un sistema organizado que hace que la conversión de luz en electricidad sea más eficiente. Dado que tiene alta eficiencia, reduce el coste de la instalación final.

#8 Célula Solar Sensibilizada por Colorante

Es una célula solar de película delgada de bajo coste basada en un semiconductor formado entre un ánodo fotosensible y un electrolito, un sistema fotoelectroquímico. Estos dispositivos se usan para convertir energía lumínica en energía eléctrica mediante el uso de colorantes orgánicos y semiconductores.

Comparadas con otros tipos de células solares, funcionan mejor bajo condiciones de alta temperatura y luz difusa. Además, son rentables, fáciles de fabricar y simples de manipular.

#9 Célula Solar Híbrida

Estos tipos de células solares consisten en dos materiales, semiconductores orgánicos e inorgánicos. El material orgánico consiste en polímeros conjugados que absorben la luz como donadores y transportan poros.

Por otro lado, los materiales inorgánicos se usan como aceptores y transportadores de electrones en la estructura. La ventaja de los sistemas solares híbridos es que almacenan energía solar y electricidad de bajo coste. El uso de energía solar se ha hecho posible durante el tiempo de máximo uso.

#10 Célula Solar de Múltiples Uniones

Son células solares con múltiples uniones p-n hechas de diversos materiales semiconductores. En esto, la unión p-n de cada material generará una corriente eléctrica en respuesta a diferentes longitudes de onda de luz.

Pueden absorber diferentes longitudes de onda de la luz solar entrante usando capas separadas. Esto los hace más eficientes en la conversión de luz solar en electricidad que las células de unión simple.

#11 Célula Solar Monocristalina

Este tipo de célula solar está compuesta por una barra cilíndrica de silicio hecha de un solo cristal de silicio de alta pureza similar al de un semiconductor. Funciona como una célula solar policristalina.

Cuando la luz solar incide en células solares monocristalinas, absorben la energía y a través de un proceso complejo crean un campo eléctrico. Este campo eléctrico incluye el voltaje y la corriente que generan electricidad. Las células solares monocristalinas tienen una eficiencia relativamente alta.

#12 Célula Solar de Nanocristales

Las células solares de nanocristales están hechas de un material recubierto con nanocristales. Los nanocristales son de silicio, CdTe, o SiGs y los sustratos son usualmente silicio u varios semiconductores orgánicos.

Estos nanocristales se forman por un proceso de recubrimiento por centrifugado que implica colocar un volumen de solución de puntos cuánticos sobre una superficie plana. La solución se extiende uniformemente y la superficie gira hasta lograr el espesor requerido.

#13 Célula Fotoelectroquímica

Estas células solares absorben una fuente de luz solar sobre un semiconductor o fotosensibilizador para producir energía eléctrica, similar a una célula solar sensibilizada por colorante.

En esto, cada célula consiste en uno o dos fotoelectrodos semiconductores y también un electrodo de metal y referencia adicional sumergido en un electrolito. Son bajas en coste y un proceso bastante fácil que es una de sus ventajas.

#14 Célula Solar de Estado Sólido

Las células solares de estado sólido se usan típicamente para equipos semiconductores similares a diodos semiconductores y circuitos integrados. También se usan en electrónica de semiconductores sin partes móviles reemplazando dispositivos con partes móviles.

Consiste en dos cristales, uno dopado con semiconductor tipo n que amplifica electrones libres adicionales de banda de conducción. Y el otro dopado con semiconductor tipo p que añade más huecos de electrones.

#15 Célula Solar de Película Delgada

Estos tipos están diseñados para convertir la energía de la luz solar en energía eléctrica usando efecto fotovoltaico. Las células solares de película delgada se fabrican depositando una o más capas delgadas sobre un sustrato flexible, como vidrio, plástico o metal.

Hoy en día, varios tipos de células solares de película delgada se usan debido a su coste relativamente bajo y su eficiencia en generación de energía. También se usan en varias tecnologías incluyendo telururo de cadmio, seleniuro de cobre, indio y galio, y silicio amorfo de película delgada.

#16 Células Solares Basadas en Obleas

Como su nombre indica, las células de silicio basadas en obleas están hechas de láminas de silicio monocristalino o multicristalino. Pueden alcanzar la mayor eficiencia de cualquier tecnología fotovoltaica. En esta célula solar, todas las capas funcionales se depositan en el sustrato y se transcriben para separar las subcélulas eléctricamente conectadas.

Funcionamiento de la Célula Solar

Los fotones del sol golpean la célula en el lado p microdelgado y penetran hasta la unión para generar pares electrón-hueco. Cuando la célula se conecta a una carga, como se muestra, los electrones difunden desde la parte superior n. La dirección de la corriente (I) es opuesta a la de los electrones.

Típicamente, las características voltaje-corriente se muestran en la figura a dos niveles diferentes de radiación solar, para cada uno de los cuales Voc = voltaje de circuito abierto, Isc = corriente de cortocircuito. La potencia ideal de la célula es Vo.Isc. La potencia útil máxima es el área del rectángulo más grande que puede formarse bajo la curva I-V.

Si el voltaje y la corriente correspondientes a esta situación se denotan por Vm e Im, entonces la potencia útil máxima es VmIm. La relación entre la potencia útil máxima y la potencia ideal se llama factor de forma (k). Valores típicos de estos factores para una célula de silicio son:

Voc = 450 a 400 mV; Isc = 30 a 50 mA/cm², K = 0.65 a 0.80.

Las células solares en forma de películas delgadas u obleas convierten del 3% a menos del 30% de la energía solar incidente en electricidad d.c. La conexión de tales celdas en configuraciones serie-paralelo permite el diseño de paneles solares con voltajes tan altos como varios kilovoltios.

Combinadas con equipos de almacenamiento de energía y acondicionamiento de potencia, estas celdas pueden usarse como parte integral de un sistema completo de conversión solar-eléctrica.

Aplicaciones de las Células Solares

Hay muchas aplicaciones prácticas para el uso de paneles solares o fotovoltaicos. Se usó primero en agricultura como fuente de energía para riego. En atención médica, los paneles solares pueden usarse para refrigerar suministros médicos. Los módulos FV se utilizan en sistemas fotovoltaicos e incluyen una gran variedad de dispositivos eléctricos:

A continuación se presenta la lista de aplicaciones de las células solares:

1. Centrales fotovoltaicas.
2. Sistemas solares FV en tejados.
3. Sistemas FV autónomos.
4. Sistemas de energía solar híbridos.
5. Fotovoltaico concentrado.
6. Paneles solares.
7. En láseres de bombeo solar.
8. Vehículos solares.
9. Usados en paneles solares en naves espaciales y estaciones espaciales.

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