Generación de electricidad. Efecto fotovoltaico.
En términos generales la conversión fotovoltaica consiste en la transformación directa de la energía solar en eléctrica.
Se aplica lo que se denomina efecto fotovoltaico, consistente en la producción de una fuerza electromotriz, por acción de un flujo luminoso incidente sobre una fotocélula.
Para poder utilizar el silicio en la elaboración de las fotocélulas es necesario alcanzar un cierto grado de pureza, lo que se logra mediante la producción de cristales de silicio.
Al exponer una lámina de dicho cristal a la acción solar, absorbe fotones de luz con suficiente energía como para originar el salto de electrones, desplazandolos de su posición original hacia la superficie donde incide la misma.
Al desprenderse esos electrones tienden a concentrarse del lado de la radiación solar, se genera un campo eléctrico con dos zonas perfectamente diferenciadas.
Una con cargas negativas, sobre la que están los electrones sobre la cara que incide la luz solar y otra con cargas positivas done están los huecos, en la cara opuesta.
Si se unen dichas regiones por medio de un conductor utilizando unos contactos metálicos adheridos a cada una de las caras de la lámina, el desequilibrio eléctrico origina una pequeña fuerza electromotriz o diferencia de potencial, que hacen circular los electrones para igualar las cargas.
Esta corriente eléctrica se genera en un proceso cíclico y constante, mientras actúe la acción de la luz sobre la fotocélula, la que es del tipo continua del mismo modo que la que proporciona una pila o batería de acumuladores.

El contacto sobre la cara que recibe la luz se ejecuta con finas láminas metálicas, de modo de cubrir lo menos posible el cristal, recubriendose además con una muy delgada capa transparente antirreflejante. La cara inferior, por el contrario, está constituido por una pequeña lámina completa.
En resumen, para que se produzca el efecto fotovoltaico es necesario que la radiación solar absorbida por el material semiconductor de origen al desplazamiento de electrones con su carga negativa (n) y la formación de huecos con cargas positivas (p). Ver siguiente figura:
Por otra parte, el material semiconductor debe poseer una discontinuidad en su composición estructural para dar lugar a la formación de un campo eléctrico interno, que separe los dos tipos de cargas, de modo que se acumulen de cada lado de la discontinuidad y den lugar a la generación de una fuerza electromotriz que haga circular la corriente eléctrica.
Además, es necesario que unos contactos eléctricos superficiales con ambas partes de la discontinuidad o unión p-n los que mediante bornes hagan posible la conexión de los tipos de carga para su utilización.
La fotocélulas pueden conectarse entre si en dos formas distintas:
En caso de conectarse en serie, el voltaje de los contactos terminales es la suma de los voltajes individuales de cada fotocélula, o sea que se obtiene un voltaje mayor que el que proporciona cada una de ellas.
Si la fotocélulas se conectan en paralelo, el voltaje se mantiene constante y es el mismo para cada una forma individual.
Paneles fotovoltaicos
Los paneles fotovoltaicos generalmente estan compuestos por la conección de varias células fotovoltaicas entre si y se los fabrican de modo de proporcionar una potencia máxima determinada, a un voltaje preestablecido, que generalmente es de 12 volts.
Consisten por lo general en una asociación en serie o serie-paralelo de un número determinado de células solares, con un encapsulado o protección de las células montadas sobre un soporte metálico.

En el caso de los paneles de silicio monocristalino o policristalino la unión de varias células solares constituye el panel fotovoltaico, el cual debe es diseñado en función de la potencia requerida para el consumo o del tamaño y peso del mismo.
En el caso de los paneles solares de lámina delgada de silicio amorfo o micromorfo el panel solar esta formado por solo una célula solar, sin interconectar las células en su interior, en este caso los paneles solares generalmente tienen voltaje que depende de la característica fotovoltaica de las célula del panel y si se necesita llegar a un determinado voltaje a la salida del circuito eléctrico del panel se colocan varios paneles fotovoltaicos en serie hasta llegar al voltaje necesario.
Paneles fotovoltaicos de silicio cristalino
Fabricación del silicio de grado solar
El silicio de grado solar necesita una pureza de 0,01 ppm (particulas por millón) respecto del silicio de grado electrónico que requiere una pureza del orden de 0,001 ppm. Esto permite usar métodos de purificación no tan complejos y mas económicos para su fabricación como es el Reactor de Lecho Fluidizado FBR (en su siglas en Inglés) en lugar del método tradicional o Reactor Siemens que se usa en la industria electrónica y que se realiza con un metodo de fabricación discontinuo o bach y que requiere un alto consumo de energía en el funcionamiento del reactor, en cambio, el reactor de lecho fluidizado permite una fabricación continua del silicio solar y requiere un gasto de energía en su funcionamiento del 10 al 20 % del gasto de energía del reactor tradicional Siemens, lo cual representa una alta reducción de los costes de fabricación del silicio solar.
La fabricación del silicio purificado de grado solar consta de tres pasos generales:
El primer paso es la desoxidación del óxido de silicio o cuarcita (SiO2) el cual se hace en un horno de arco eléctrico utilizando carbón o coque como elemento reductor del óxido de silicio y obteniendose silicio bruto el cual tiene una pureza del orden del 99% o sea de alrededor de 100 ppm.
El segundo paso para la obtención del silicio purificado consta de la purificación del silicio y de la separación de las impurezas que contiene el silcio en su estado bruto, para esto, como es muy difícil purificar un líquido o un elemento sólido lo que se hace es gasificar el silicio bruto y separar las impurezas por destilación en una torre de destilación, para esto a partir del silicio bruto se genera el triclorosilano (SiHCl3) para lo cual se combina el silicio con ácido clorídrico (HCl) a unos 300 ºC ya que a temperatura ambiente el triclorosilano es líquido. El reactor de lecho fluidizado puede trabajar con gas de aporte al triclorosilano o al silano (SiH4), si se utiliza silano el mismo se debe obtener descomponiendo el triclorosilano en silano y tetracloruro de silano para lo cual se hace ebullir el triclorosilano sobre un lecho de resina que contiene una catalizador formado generalmente por cloruro de aluminio en el cual se disocia el triclorosilano en silano y en tetracloruro de silicio de acuerdo a la siguiente reacción:
4 HSiCl3 → SiH4 + 3 SiCl4
Luego el tretlacloruro de silicio se combina con Hidrógeno (H2) de la siguiente forma
SiCl4 + H2 → HSiCl3 + HCl
obteniendose nuevamente triclorosilano y ácido clorídrico los cuales son nuevamente devueltos al proceso y combinados en los pasos anteriores de la formación de triclorosolano y silano.
Una vez obtenido el silano en forma de gas a temperatura ambiente el mismo se separa de las impurezas en una torre de destilación en el cual se obtiene gas de silano ultrapuro y en esta condición se lo inyecta al reactor de lecho fluidizado para obtener así el silicio solar purificado.
Si en vez de utilizar silano como gas de aporte en el reactor se utiliza triclorosilano se debe purificar en la torre de destilación el gas de triclorosilano a una temperatura superior a los 300 ºC ya que a temperatura ambiente como dijimos el triclorosilano es líquido.
Esquema de un Reactor de Lecho Fluidizado (FBR)
Se ha demostrado que el silico solar obtenido en un reactor de lecho fluidizado tiene un costo de 18 u$s/Kg y el obtenido por el método tradicional usando un recator Siemens el costo es superior a los 30 u$s/Kg, lo que implica una reducción importante del costo del silicio solar y una reducción importante del costo final de los paneles fotovoltaicos.
Cristalización del silicio solar
Existen dos tipos de células solares cristalinas, las células monocristalinas y las policristalinas, las células solares monocristalinas tienen la ventaja de tener una mayor eficiencia que las policristalinas pero son mas difíciles de fabricar y por lo tanto un poco mas caras, en general, los paneles fotovoltaicos hoy en dia se fabrican con células solares policristalinas, nosotros aquí solo mencionaremos el método de cristalización del silicio policristalino por tener mayor uso en la actualidad.
En la cristalización del silicio policristalino se usa un horno de inducción electromagnética como se ve en la figura donde se mete un cubo que contiene el silicio solar purificado en forma líquida a unos 1.600 ºC y en el horno de inducción se controla la temperatura del silicio líquido de forma que se forme una superficie de cristalización que avanza de abaja hacia arriba del cubo y va solidificando el silicio y por lo tanto cristalizandose. La cristalización se produce a una baja velocidad de 1 cm/hora y se usan generalmente cubos de 70 x 70 cm de lado y una altura de 30 cm.
Corte de las células solares
Una vez obtenido el silicio cristalizado en la forma como la que describimos arriba se realiza el corte del cubo en forma de lingotes de 15 x 15 cm de lado y 30 cm de largo aproximadamente y luego se cortan las células solares en forma de obleas planas con una maquina de corte que usa hilos de polvo de diamante con el cual se hace el corte de las obleas, este corte se realiza a temperatura ambiente, ya que el corte a altas temperaturas del silicio puede generar difusión solida de los gases o de particulas de la herrmaienta de corte sobre las obleas de silico y generar pérdidas de rendimiento de las células solares.
La maquina de corte por hilos es como muestra la figura siguiente:
Las células solares actualmente con este método de corte se fabrican con un espesor de 160 a 180 micrones y el espesor de los hilos tienen un diametro de 140 micrones por lo tanto se desperdicia aproximadamente el 50% del silicio solar, por lo cual, se encarece en forma significativamente el costo de los paneles solares ya que se esta utilizando aproximadamente un espesor de 300 a 400 micrones del silicio del lingote en fabricar una célula solar.
Las célula solares se pueden fabricar con un espesor de hasta 20 micrones sin que se produzcan pérdidas en la eficiencia de la célula, pero este método de corte no permite cortarla de forma tan delgada debido a la rigidez del silico de las células y no existe hasta el momento un método de corte que permita cortar las células tan delgadas y sin tener perdidas de silico en el corte.
Actualmente se esta trabajando mucho en reducir tanto el espesor de la oblea como en disminuir las pérdidas de corte ya que significaría una reducción muy importante en el costo final del panel solar.
Fabricación de las células solares
Luego del corte de las obleas, estas son sometidas a una serie de procesos para la fabricación de las células solares, en los cuales, cada proceso generalmente aporta una mejora en la característica final de la célula solar y sobre todo en su eficiencia final. Cada fabricante aplica una determinada cantidad de procesos y mejoras a las células solares de acuerdo al costo que implica la aplicación de estos procesos y la mejora relativa en la eficiencia de la célula solar que se obtiene con la aplicación de estos procesos.
Si bien las células solares mas avanzadas que se fabrican en la actualidad y por lo tanto las de mayor eficiencia se fabrican con silicio monocristalino y tiene una eficiencia del orden del 22%, estos mismos procesos y mejoras pueden aplicares a las células solares de silico policristalino aunque la eficiencia siempre es de 1 a 2 % menor dada la mejores propiedades fotovoltaicas que tiene el silicio monocristalino.
Esquema de una célula solar de silicio policristalino con contacto frontal
Las celulas solares de silico cristalino con mejor rendimiento que tienen hoy en dia se las fabrican con las siguientes características:
- Superficie frontal antirreflectante:
La células solares en su parte frontal estan cubiertas con un capa que disminuye la reflección de la luz en la célula solar y hace que toda la luz que incide sobre la célula entre al cuerpo de la misma para que dicha luz pueda convertirse en energía eléctrica. Existen muchos materiales que se utilizan como capas antirreflectantes pero el mas usado actualmente es el dioxido de titanio (TiO2) y es el encargado en darle el color azulado que tienen los paneles fotovoltaicos hoy en dia.
- Sistema de atrapamiento de la luz:
El sistema de atrapamiento de la luz se fabrica con el propósito de que la luz del sol recorra la máxima distancia posible en el interior del cuerpo de la célula con el fin de que toda la luz pueda transformarse en algún momento en energía eléctrica, el método mencionado es como lo demuestra la siguiente figura y en el se puede ver como la luz recorre dicha trayectoria, para esto la parte inferior de la célula debe tener una capa reflectante que permita que cuando la luz solar llega al fondo de la célula se refleje y vuela al cuerpo de la misma, además la parte frontal se debe fabricar en forma de piramides invertidas para que cuando la luz rebota externa o internamente siempre lo haga de forma que vuela a a entrar al cuerpo de la célula solar y de esta forma aumentar la distancia de dicho recorrido. Una célula solar de silico cristalino que posee este sistema de atrapamiento de la luz con un espesor de 20 micrones logra la misma eficiencia que una célula solar de 400 micrones de espesor sin este método de fabricación por lo cual este método es indispensable para lograr disminuir el espesor de las células sin perder eficiencia en las mismas.

- Pasivamiento de las superficies frontales y posteriores:
Las impurezas en las células solares y los cambios de fase que se producen en las superficies superior e inferior de la célula producen pérdidas de eficiencia por recombinación, para evitar dichas pérdidas en las superficies de la célula se realiza un pasivado de las mismas en las que generalmente se utiliza hidrógeno o nitruro de silicio y tienen como fin disminuir la velocidad de recombinación de la corriente eléctrica en dichas zonas.
- Contactos posteriores puntualizados y reflectanes:
Una forma de disminuir las pérdida por sombreado de la parrilla que forma el contacto superior de la célula es hacer que los dos contactos, el superior y el inferior, estén en la parte inferior de la célula para lo cual el dopaje de la célula debe hacerce como muestra la siguiente figura:
en este caso el dopaje Tipo P y Tipo N para formar las bandas de conducción y la banda de valencia debe hacerse en la parte inferior de la misma. Además para disminuir el area de contacto de las superficies conductoras de la electricidad el contacto debe hacerse puntualizado con lo que se logra disminuir las pérdidas por recombinación en dichas superficies de contacto, y para permitir la realización del sistema de atrapamiento de luz como describimos anteriormente el area que no forma parte de los contactos eléctricos posteriores se le coloca la capa reflectante de la luz como también muestra la anterior figura.
El emisor selectivo unicamente se fabrica en las células solares que tienen contactos frontales en los cuales en la parte de la superficie de la célula donde no estan los contactos eléctricos se la pasiva normalmente con hidrógeno o con nitruro de silicio y en la parte inferior a los contactos eléctricos para aumentar la conducitvidad eléctrica en dicha región se hace un pasivado inferior que hace que aumente la conductividad eléctrica del silico en dicha zona pero no un pasivado completo ya que dichas zonas no estan expuestas a la luz ya que esta debajo de la parrilla que forma el contacto superior.
En la actualidad la mayoría de las células solares cristalinas se fabrican con contacto superior pero cada vez mas debido al aumento de la eficiencia que se logra haciendo los contactos en la parte inferior de la célula se están fabricando las células solares con contactos posteriores.
Esquema del aumento de la eficiencia de las células solares de silicio monocritalino y policristalino de acuerdo a las mejoras o procesos con las que son fabricadas las mismas.
Fabricación o ensamblado del panel solar fotovoltaico
En la fabricación o ensamblado final del panel solar se parte de la célula solar ya fabricada y se realizado el soldado de las células solares que generalmente se conectan en serie aumentando el voltaje del panel solar respecto del que tiene la célula y posteriormente se realiza un encapsulado de panel en el cual se encapsulan las células solares con el vidrio del panel en la parte superior y con goma EVA en la parte inferior, posteriormente se realiza el ancuadrodo del panel con perfiles en los que generalmente se utiliza aluminio y finalmente se coloca la caja de contacto eléctricos de los mismos. Al final del proceso se hace una pruba de eficiencia del panel solar en el que se aplica una intensidad de luz normalizada y se mide la energía producida por el panel la cual luego se especifica en las características del mismo para su comercialización.

Esquema de la fabricación de un panel solar fotovoltaico
Paneles solares fotovoltaicos de Heterojuntura de Capa Intrisica
Panel de Heterojuntura de Capa Intrínsica HIT
Los paneles fotovoltaicos HIT (Heterejunction with Intrinsuc Thin Layer) están fabricados con células solares híbridas de silicio monocristalino recubiertas con capas de silicio amorfo, si bien en la actualidad estos paneles se fabrican con obleas de silico monocristalino ya que logran mayor eficiencia en la célula solar también se pueden fabricar con sustratos formados con obleas multicristalinas aunque el rendimiento final de la célula sea un 1 o 2 % menor que las monocristalinas.
Estos paneles solares con obleas monocristalinas logran en la actualidad eficiencias del orden del 23%, las mas altas eficiencias de células solares de silicio que se comercializan en el momento. La célua solar se fabrica como lo muestra la siguiente figura:
Como se puede ver en la figura la célula solar esta formada por un substrato monocristalino del Tipo N y por capas de silico amorfo en su parte superior e inferior, en este caso no tienen ambos contactos en la parte trasera y se pueden fabricar de forma bifacial o sea que absorvan la luz de la parte frontal y trasera logrando asi que los paneles fotovoltaicos construídos de esta manera logren una mejora en el rendimiento total de un 1 o 2 % superior al panel si trabajaría de la forma tradicional.
Un ejemplo de panel solar bifacial puede verse en la siguiente figura:
Estos paneles también tienen la ventaja de conservar su alta eficiencia de conversión trabajando a altas temperaturas logrando así una producción anual de energía superior a los paneles solares tradicionales policristalinos en la relación de Wp de panel sobre los Wh anuales generados.
Panel de Heterojuntura de Capa Intrínsica con Contacto Posterior SHJ-IBC
Las células solares SHJ-IBC (Silicon-Heterojunction Interdigitated-Back-Contact) están siendo desarrolladas por diversas empresas ya que tiene el potencial de llegar a una eficiencia del 26% utilizando como substrato obleas de silicio monocristalino y las capas de silico amorfo se colocan de forma de evitar el contacto superior de la célula solar HIT para aumentar la eficiencia fotovoltaica ya que evita las pérdidas por sombreado de la parrilla del contacto superior.
La célula solar estaría fabricada como muestran las siguientes figuras:
Si bien estos paneles fotovoltaicos no están en el mercado hasta el momento serían los paneles fotovoltaicos fabricados con células solares de silicio del mayor rendimiento que se ha logrado hasta el momento, lo cual, por utilizarse como material semiconductor solamente silicio, por las ventajas de abundancia y bajo costo de este semiconductor, presenta un gran interés en su fabricación gracias a la alta eficiencia que se puede obtener de ellos.
Estas células solares también se podrían fabricar utilizando como substrato obleas de silico policristalino que aunque tuvieran un rendimiento final del panel algo menor que el monocristalino serían mas baratos y simples de fabricar y también tendrían una alta eficiencia lo que los hace muy interesante para su aplicación por su economía de fabricación y su alta eficiencia energética de conversión fotovoltaica.
Células de lámina delgada
Células de silicio de lámina delgada
La tecnología de la célula solar de silicio es bastante estándar, y la mayor parte de la investigación tecnológica se centra en la película fina. La mayoría de la película fina o delgada consiste en una sustancia absorbente solar rociada sobre una capa, o aplicada con gas a una capa, o, más recientemente, de una tinta solar impresa sobre una capa. Las tecnologías de la película fina se diferencian sobre todo en el material que utilizan. La película fina utiliza típicamente el 1%, o menos, del silicio de la células standard, es más barata, y es también a veces flexible, pero es menos eficiente. La película fina se imprime a menudo sobre una lámina, haciéndola flexible. Una película delgada se puede rociar sobre una capa para hacer película fina del silicio amorfo. Es más barata, pero menos eficiente, que el silicio normal, y absorbe solamente el espectro visible de la luz.

Existen dos clases de tecnología fotovoltaica de silicio de lámina delgada que están en investigación y son más una modificación de la tecnología existente que un nuevo tipo de tecnología. La primera es la fotovoltaica transparente, prevista para el uso en ventanas o en techos de invernaderos, como por ejemplo son las fabricadas con silicio amorfo que se explican detalladamente mas adelante. La fotovoltaica transparente se está desarrollándo en elos laboratorios con prototipos que hasta ahora no han mostrado una buena calidad. La segunda es el silicio 'negro' supuesto, en el cual las abolladuras y los topetones microscópicos a través de la superficie del fotovoltaica crean un área superficial más grande que se pueda exponer a la luz. Se cree que éste aumentará la eficacia, pero también está en proceso de desarrollo.
Otros tipos de células de película delgada
Las tres principales clases de película fina son: CIGS, CIS y telurio de cadmio. Los CIGS están basados en el cobre, el indio, el galio y el selenio. Los productos químicos se mezclan para formar una película delgada con hasta el 14% de eficiencia, y en laboratorios han llegado a 16.5% de eficiencia de conversión fotovoltaica. Utiliza una clase más complicada de reacción química que el silicio. Se utilizan los CIGS para conseguir una eficacia mejor al concentrar la luz con espejos. Las células CIS son similares a las anteriores pero utilizan Cobre Indio y Selenio y como no usan Galio deben usar mayor cantidad de Indio y Selenio que como son elementos poco abundantes son caros y por lo tanto la célula solar es mas cara que la anterior, llegan a tener una eficiencia del 11%. El telurio de cadmio, conocido como CdTe, es otra clase de película fina, tiene cualidades útiles, pero tiene el problema que la sustancia es tóxica,. el CdTe es también menos eficiente que el silicio, aunque es más barato de fabricar.
Dos áreas de la investigación de la película fina que han recibido mucha atención son las células solares de tinte y las células solares orgánicas o de polímeros. El tinte sensibilizado usa un electrolito de yoduro entre dos electrodos, uno de los cuales tiene el dióxido de titanio y tinte., donde el tinte trabaja de modo semejante a la fotosíntesis de las plantas, y crea una corriente eléctrica a partir de la luz, es barato y simple de fabricar pero se desgasta rápidamente, pues se degrada por efecto de la luz. Las células solares orgánicas se hacen con polímeros semiconductores y compuestos orgánicos nanomoleculares se han llegado a obtener eficiencias del orden del 6% son baratas de fabricar pero tienen el inconveniente que también se degradan rápidamente por efecto de la luz del sol.
Paneles solares fotovoltaicos de silicio micromorfo
El silicio nano-cristalino, también llamado microcristalino, es una clase de silicio amorfo pero contiene cristales pequeños. Es más fácil de hacer que el silicio normal, absorbe un espectro más amplio de la luz que el amorfo, es flexibley se puede combinar con el silicio amorfo formando paneles solares tipo tandem de células de lámina delgada con estos dos tipos de silicio.
En el caso de los paneles de silicio micromorfo el objetivo es hacer células dobles o células en tándem. La parte superior esta formada por silicio amorfo, que reacciona ante una determinada longitud de onda de la luz que recibe. Y la parte inferior estaría constituida por una capa de silicio microcristalino que capta otra parte del espectro de luz, en este caso la radiación infrarroja. Esta célula doble actúa como un tándem. Sumando la eficiencia de la capa superior de silicio amorfo y la inferior de silicio micromorfo el módulo llega al 10% frente al 6,8% de las células de silico amorfo inicial. En la siguiente figuras se pueden ver el espesor y el espectro de absorción de cada una de las capas de esta célula de silicio micromorfo.
Con el futuro desarrollo de estas células de dos capas activas, se estipula que es posible llegar a una eficiencia del 13%. Así, partiendo de la base del 6,8% inicial se llega a casi un aumento del 100%.
Este tipo de célula tiene un ratio de producción de kW/h generado por kW/p instalado mayor que las células de silicio tradicionales ya que tiene un coeficiente de temperatura que es la mitad que el de los cristalinos y por lo tanto las pérdidas producida por este efecto son el 50% a las anteriores, y además su comportamiento ante la luz difusa mejora también el ratio de producción, estimandose que estos paneles una pueden roducir hasta un 10% más kWh por kWp instalado que los paneles solares de silicio cristalino.

Instalacion de paneles solares de silicio micromorfo.
Otra de las ventajas de estos paneles solares es que las instalaciones se pueden hacer con un menor ángulo de inclinación que los otros paneles como se ve en la figura anterior y con elsto disminiur la altura de las estructuras que se utilizan como soporte de los paneles solares en las instalaciones y así disminuir los costos finales de instalación de dichos paneles.
Tipos de instalaciones solares
Seguidor solar fotovoltaico para parque solares
Seguidor solar fotovoltaico Soltec modelo 10K5 para una potencia de 10 KW de paneles fotovoltaicos de silicio policristalinos. Este seguidor presenta ventajas en su resistencia al viento y en la velocidad del montaje respecto de los seguidores tradicionales de un solo poste.