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ÍNDICE:

1. INTRODUCCIÓN.

2. SILICIO MONOCRISTALINO.

3. SILICIO POLICRISTALINO.

4. PANEL DE ALTA CONCENTRACIÓN.

5. EVOLUCIÓN DE LAS CÉLULAS FOTOVOLTAICAS

1. INTRODUCCION.

Atendiendo a la naturaleza y características de los materiales semiconductores que las forman, las células fotovoltaicas pueden clasificarse en varios grupos, pero en este artículo nos centraremos en tres tipos los dos más comunes de las células fabricadas a partir de silicio monocristalino y las de silicio policristalino, además de un tercer tipo novedoso como son las de alta concentración.

2. SILICIO MONOCRISTALINO.

El tipo de célula más común y también el primero que se produjo industrialmente, es el formado por silicio puro monocristalino. A continuación se pasa a describir brevemente el proceso de fabricación de este tipo de células, así como sus características más sobresalientes, que son también compartidas por la mayoría de las otras células que existen en el mercado.

El procedimiento clásico de fabricación de células de silicio monocristalino, conocido como método Czochralski (abreviadamente Cz), parte de la obtención, a partir de sílice, de silicio extremadamente puro, el cual se funde en un crisol junto con una pequeña cantidad de boro hasta formar una masa a 1400 ºC.

Una vez que todo el material se encuentra en estado líquido, se introduce en el seno del mismo una varilla en cuyo extremo hay un cristal germen de silicio, sobre el que se van disponiendo lentamente nuevos átomos del material procedentes del líquido, que quedan perfectamente ordenados siguiendo la estructura del cristal.

Se obtiene así un monocristal de suficiente tamaño, el cual, una vez enfriado, se corta en finas obleas circulares o cuadradas de unas 3 décimas de milímetro de grosor, que son tratadas químicamente en su superficie.

Figura 1: Silicio monocristalino a la izquierda y policristalino a la derecha.

Estas obleas constituyen el producto semielaborado, que a veces se exporta para que las factorías de diversos países completen el proceso de creación de la célula. Dicho proceso consiste esencialmente en la creación de la unión P-N, introduciendo la oblea de silicio dopado con boro en hornos especiales, dentro de los cuales se difunden átomos de fósforo que se depositan sobre una cara, alcanzando éstos una cierta profundidad bajo la superficie de la oblea.

Se completa esta fase del proceso con un tratamiento anti-reflectante mediante el recubrimiento o texturizado de la superpie de la célula, consistente esto último en la formación de minúsculas estructuras piramidales sobre la superficie que va a recibir la radiación, para que el rayo reflejado tenga más posibilidades de volver a incidir antes de perderse definitivamente.

Finalmente, se entra en el proceso de proveer a la célula de contactos eléctricos adecuados, a fin de que los electrones encuentren un camino fácil para salir y entrar de la misma. Esto se consigue depositando por métodos electroquímicos de evaporación al vacío o serigrafiados, una red o rejilla, constituida por una aleación buena conductora, que adopta una geometría especialmente estudiada para conseguir una óptima recolección de electrones sin cubrir a la vez demasiada superficie útil de la célula.

La rejilla metálica, o parrilla conductora, que forma el contacto frontal de las células cristalinas suele consistir en una serie de filamentos que están en contacto directo con el semiconductor y que se conectan entre sí mediante unas tiras metálicas. El diseño de estos filamentos afecta a la eficiencia de la célula de dos maneras: por un lado, implica un sombreado que impide que parte de la radiación disponible alcance el interior de la célula y, por otro, introduce una resistencia, debida a la unión metal-semiconductor y a la propia resistencia del material empleado. En este sentido, se ha evolucionado desde la técnica convencional del serigrafiado hasta la de contacto enterrado mediante láser LGBG (Laser Grooved Buried Grid), consiguiendo mejorar un 25% la eficiencia de las células sin apenas aumentar su coste. Las claves de esta técnica son las siguientes:

-  Reducción del ancho de los filamentos, de 150 micras con serigrafía convencional a 20 micras, lo que reduce el sombreado de la célula hasta un 3%, frente al 15% de las serigrafiadas.

- Aumento de la relación de aspecto (alto/ancho) del contacto, lo que supone una reducción en la resistencia total de la malla.

-  Reducción de la resistencia contacto-semiconductor.

Recientemente han aparecido en el mercado células con los contactos tanto positivos como negativos situados en la cara posterior, evitándose las pérdidas de radiación incidente sobre la cara frontal como consecuencia de la existencia sobre las mismas de dichos contactos metálicos.

Después de pasar una serie de controles de calidad, la célula quedará lista para ser utilizada, uniéndola con otras iguales para así formar un módulo.

La célula final producida tiene un rendimiento aproximadamente igual a la mitad del máximo teórico del material de que está constituida. Esta pérdida de rendimiento se  debe principalmente a tres causas:

- Pérdidas por reflexión, las cuales, aunque han sido reducidas, nunca es posible hacerlas desaparecer.

- Los fotones que inciden sobre la rejilla metálica, en vez de sobre el material semiconductor, se pierden, no produciendo el efecto fotovoltaico.

- Al circular corriente a través de la célula, se produce una pequeña pérdida por efecto Joule.

Por todo lo anterior, el rendimiento de una célula monocristalina de silicio no suele superar el 15%

Figura 2: Panel monocristalino.

3. SILICIO POLICRISTALINO.

Si el proceso de fabricación, en vez de partir de un monocristal, se hace dejando solidificar lentamente en un molde rectangular la pasta de silicio, se obtiene un sólido formado por muchos pequeños cristales o granos de silicio, del cual pueden cortarse células policristalinas cuadradas. Estas células han alcanzado una amplia comercialización, aunque sus rendimientos son algo menores que las monocristalinos, pues precio es también inferior.

El proceso de cortar las células a partir de una sola pieza produce gran cantidad de desperdicio de material semiconductor en forma de polvo. Para evitar este inconveniente se introdujo un método de fabricación de células diferente, que consiste en producir una fina tira continua de material policristalino que se corta en trozos rectangulares.

Las tecnologías más recientes en la fabricación de materiales se basan en el diseño conocido como de película delgada, que se diferencia de los anteriores, ya que no produce células individuales que posteriormente se conectan en serie para obtener el voltaje suficiente para las aplicaciones más comunes, sino una fina capa de 1μm o 2μm de espesor de material semiconductor que se deposita sobre un sustrato apropiado, formándose un módulo continuo que no requiere interconexiones interiores.

Actualmente, el tipo de película delgada que más se produce es la de silicio-hidrógeno (TFS), que es el material semiamorfo que se observa en las calculadoras y otros pequeños dispositivos solares, aunque también las hay de mayores potencias.

Existen otras clases de películas delgadas, como la constituida por la combinación de cobre, indio y selenio (CuInSe2), también conocida como CIS.

Figura 3: Panel policristalino.

4. PANEL DE ALTA CONCENTRACION.

Se trata de una instalación solar fotovoltaica que, frente a una convencional, utiliza una extraordinaria reducción de silicio y convierte la luz solar en energía eléctrica con muy alta eficiencia. Esta tecnología surge como forma de aprovechar al máximo el potencial del recurso solar y evitar por otra parte la dependencia del silicio, cada vez más escaso y con un precio cada vez mayor debido al aumento de la demanda por parte de la industria solar.

Desde los años 70 se han realizado investigaciones sobre la tecnología de concentración fotovoltaica de manera que ha mejorado su eficiencia hasta conseguir superar a la fotovoltaica tradicional. No fue hasta los años 2006-2007 que las tecnologías de concentración pasaron de estar reducidas al ámbito de la investigación y empezar a conseguir los primeros desarrollos comerciales. En 2008 el ISFOC (Instituto de Sistemas Solares Fotovoltaicos de Concentración) puso en marcha en España una de las mayores plantas de este tipo a nivel mundial, conectando a la red 3MW de potencia. En este proyecto participaron varias empresas que utilizaban diversas tecnologías de concentración fotovoltaica (CPV).

Algunas de estas tecnologías utilizan lentes para aumentar la potencia del sol que llega a la célula. Otras concentran con un sistema de espejos la energía del sol en células de alta eficiencia para obtener un rendimiento máximo de energía. Algunas empresas como SolFocus ya han empezado a comercializar la tecnología CPV a gran escala y están desarrollando proyectos en Europa y EE.UU. que superan los 10MW en 2009.

La tecnología de concentración fotovoltaica se dibuja como una de las opciones más eficientes en producción energética a menor coste para zonas de alta radiación solar como son los países mediterráneos, las zonas del sur de EE.UU, México, Australia.

Figura 4: Panel de alta concentración.

5. EVOLUCION DE LAS CELULAS FOTOVOLTAICAS.

Figura 5: Evolución de los paneles fotovoltaicos.

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