Energía solar fotovoltaica

1 _ Aprovechamiento del efecto fotoeléctrico en las células fotovoltaicos para la generación de electricidad con la radiación solar.  



En términos generales la conversión fotovoltaica consiste en la transformación de la energía solar en energía eléctrica aplicando el efecto fotoeléctrico sobre un semiconductor construido de forma tal que genere una corriente eléctrica que pueda ser utilizada como energía útil. El dispositivo electrónico que transforma la energía solar en energía eléctrica es lo que llamamos como célula  fotoeléctrica  o célula solar fotovoltaica y consistente en la producción de una diferencia de potencial sobre un material semiconductor construido con una unión pn cuando sobre este inside la luz solar y se produce el efecto fotoeléctrico que genera un movimiento de cargas eléctricas electrón-hueco dentro de su matriz de forma que estas cargas se muevan de tal forma que generen esta diferencia de potencial o diferencia de tensión. Cuando se logra esta diferencia de potencial dentro de la célula se genera una fuerza electromotriz que hace que si se conecta esta célula a un circuito eléctrico exterior produzca que circule por dicho circuito eléctrico una corriente eléctrica que puede ser aprovechada para hacer un trabajo útil.
Cuando a un semiconductor intrínseco como el silicio en estado puro se le hace incidir un flujo luminoso, los fotones que actúan sobre el semiconductor por el efecto fotoeléctrico generaran roturas de los enlaces químicos entre los átomos del semiconductor generando pares electrón-hueco que se mueven a través de la matriz del semiconductor hasta que al cabo de fracciones de segundo se encuentran nuevamente regenerando los enlaces rotos y desprendiendo la energía absorbida por los electrones en forma de calor.
El principio de funcionamiento de los dispositivos fotovoltaicos en las células fotovoltaicas es obligar a los electrones y a los huecos a avanzar hacia lados opuestos dentro de la célula solar para que en lugar de recombinares nuevamente entre si se produzca la diferencia de potencial y por lo tanto la diferencia de tensión entre las dos caras de la célula solar para que si se conecta con un circuito eléctrico exterior se produzca la corriente eléctrica. Para lograr esto se crea sobre el cuerpo del semiconductor un campo eléctrico permanente a través de una unión pn haciendo que cuando incide la luz solar sobre el mismo y se generen los pares electrón-hueco por el efecto fotoeléctrico los electrones fluyan hacia la región n del semiconductor y los huecos hacia la sección p del mismo generando así esta diferencia de potencial y de tensión por los distintos lugares en que se alojan estas diferentes cargas eléctricas (electrón-huecos) dentro del semiconductor y de la célula solar.
Por lo tanto las células solares se construyen de forma que en su capa superior este la juntura tipo n del semiconductor y en la parte inferior de la célula este la juntura tipo p de la célula, generando, al igual que en los diodos semiconductores, que los electrones libres de la capa n emigren hasta los huecos de la capa precombinandose con estos y generando que se produzca de forma permanente para toda su vida útil un campo eléctrico constante entre las dos caras del semiconductor que va desde la región p hacia la región n, provocando que la corriente solo pueda circular en el sentido de este campo eléctrico y cuando se generen electrones libres por efecto de la incidencia de la luz solar sobre la célula estos fluyan también en la dirección de este campo eléctrico desde la capa p hacia la n, generando así la diferencia de potencial y la diferencia de tensión entre las dos caras de la célula solar.
La corriente eléctrica que se genera es mediante un proceso continuo que se renueva cada vez que un fotón con una energía superior a la energía del gap del semiconductor de la célula incide sobre el cuerpo del semiconductor por lo tanto como la luz solar esta formada por infinitos fotones que se transmiten en forma continua la corriente eléctrica que genera dicha célula es del tipo de corriente continua, similar a la corriente que proporciona una pila o una batería de acumuladores eléctricos.

Para poder utilizar el silicio en la elaboración de las células fotovoltaicas es necesario alcanzar un cierto grado de pureza, lo que se logra mediante la utilización de silicio de grado solar (6N) o de grado electrónico (9N).
El contacto superior que transporta la corriente eléctrica de la célula fotovoltaica esta sobre la cara que recibe la luz y se realiza por medio de una parrilla de finas láminas metálicas, de modo de cubrir lo menos posible el cristal de la luz solar y recubriendose además esta capa superior de la célula con una muy delgada capa transparente antirreflectante. La cara inferior, por el contrario, está constituido por una pequeña lámina completa conductora de electricidad y reflectante para que los fotones que no son absorbidos en su traspaso por el material semiconductor pueda volver al cuerpo de la célula y ser absorbido por esta y convertido en energía eléctrica.
En el siguiente video se muestra este movimiento de cargas eléctricas dentro de la célula solar pero se muestra el sentido convencional del movimiento de la corriente eléctrica que es considerando el movimiento de las cargas positivas y no el sentido del movimiento real de los electrones que poseen carga negativa e- que es de sentido inverso al de las cargas positivas.

La células solares pueden conectarse entre si en dos formas distintas:

• Serie.
• Paralelo.

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 en forma individual pero se suman las corrientes producidas por cada una de estas.


2 _ Paneles fotovoltaicos


Los paneles fotovoltaicos generalmente están compuestos por la conexión 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 o 24 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 ser 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 como los fabricados con silicio amorfo, con silicio micromorfo o con otro tipos de semiconductores como los paneles de Cobre, Indio, Galio y Selenio (CIGS) el panel solar esta formado por varias células solares que generalmente se fabrican en forma paralela una a otra a medida que se van depositando las distintas capas de los semiconductores en la fabricación del panel de forma de hacer la conexión en serie de las células y así obtener el voltaje de salida del panel de acuerdo al voltaje que se necesite del mismo, de 12 o 24 Volt o otro voltaje que se quiera tener en la salida del panel solar.
Si se necesita llegar a un determinado voltaje a la entrada del circuito eléctrico que se necesite alimentar con alguno de estos distintos tipos de paneles solares (ya sea los de silicio cristalino o los de capa delgada) se colocan varios paneles solares en serie o en paralelo hasta llegar al voltaje o a la corriente necesaria del circuito que se quiera alimentar como es el caso de los inversores de corriente de conexión a red que generalmente usan voltajes que van desde los 150 a 600 Volt de corriente continua de entrada al inversor y 220 Volt o mas de tensión de la corriente alterna de salida del mismo que es la que se conecta a la red de distribución domiciliaria.

3 _ Paneles fotovoltaicos de silicio cristalino

3.1 _ Fabricación del silicio de grado solar


El silicio de grado solar necesita una pureza de 6N o sea de 6 números 9 en el porcentaje de pureza, que en este caso sería de 99,9999 % o mayor, ya que un aumento de impurezas en el silicio de la célula solar generaría muchas perdidas en la eficiencia de la célula debido al efecto de recombinación que generan las impurezas sobre los electrones y huecos generados por el efecto fotoeléctrico sobre el silicio semiconductor. En el caso del silicio de grado electrónico requiere una pureza del orden de los 9N o sea de 9 números 9 en el porcentaje de pureza del semiconductor que sería una pureza del 99,9999999 %. Esto permite que para la fabricación del silicio de grado solar se puedan 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 método 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 %.
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 silicio 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 clorhídrico (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 clorhídrico 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.
El tercer paso para la producción del silicio de grado solar en si dentro del Reactor de Lecho Fluidizado el cual se puede ver en la siguiente figura, y como se puede ver en la figura cuando en dicho reactor se fabrica el silicio solar a partir del Silano (SiH4) se inyecta desde la parte inferior del reactor gas silano y gas de hidrógeno generando que se vallan produciendo el crecimiento de pequeñas partículas del silicio solar que luego a medida que se descompone el silano en el reactor el silicio del silano se va depositando sobre estas particulas haciendo crecer estos granos de silicio en forma de semillas redondas de distintos tamaños que van saliendo por el fondo del reactor.

Esquema de un Reactor de Lecho Fluidizado (FBR)

Una de las desventajas de este reactor es la formación de polvo de silicio ya que no todas las partículas generadas logran crecer de tamaño hasta un tamaño mínimo recomendado generandose estas pequeñas partículas de polvo de silicio, además también hay contaminaciones en los granos de silicio cuando se va depositando este en las partículas por átomos de hidrógeno que quedan como impurezas dentro de las partículas de silicio de grado solar disminuyendo la pureza del mismo.

Este método generalmente produce silicio de menor pureza que en reactor Siemens pero superiores a los 6N de pureza que necesita el silicio de grado solar, en donde las purezas obtenidas generalmente están en el orden de los 6N a 8N. También se debe considerar que durante la fabricación de la célula solar existen contaminaciones al silicio solar como es en el caso del corte de las células solares o en la cristalización del silicio mono o policristalino o en el corte de los mismos lingotes, por lo tanto el silicio solar debe ser fabricado con una pureza superior al que admite la célula solar por estas contaminaciones posteriores a la fabricación del silicio que se producen en la fabricación de la propia célula solar.

Silicio Granular de Grado Solar obtenido en un Reactor de Lecho Fluidizado 

Se ha demostrado que el silicio solar obtenido en un reactor de lecho fluidizado tiene un costo de 18 u$s/Kg y el obtenido por el método tradicional usando un reactor Siemens el costo es superior a los 30 u$s/Kg, lo que implica una reducción importante del costo del silicio solar y una reducción importante del costo final de los paneles fotovoltaicos.




3.2 _ 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 día 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 cristalizándose. 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.   

3.3 _ 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 partículas de la herramienta de corte sobre las obleas de silicio 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 diámetro de 140 micrones por lo tanto se desperdicia aproximadamente el 50% del silicio solar, por lo cual, se encarece en forma significativa 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 células 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 silicio 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 silicio 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.


3.4 _ 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 silicio 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 células solares de silicio cristalino con mejor rendimiento que tienen hoy en día se las fabrican con las siguientes características:

• Superficie frontal antirreflectante:

La células solares en su parte frontal están cubiertas con un capa que disminuye la reflexión 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 dióxido de titanio (TiO2) y es el encargado en darle el color azulado que tienen los paneles fotovoltaicos hoy en día.

• 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 pirámides 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 silicio 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 reflectantes:

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 hacerse 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 área 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 área que no forma parte de los contactos eléctricos posteriores se le coloca la capa reflectante de la luz como también muestra la anterior figura.

• Emisores selectivos.

El emisor selectivo únicamente se fabrica en las células solares que tienen contactos frontales en los cuales en la parte de la superficie de la célula donde no están 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 conductividad eléctrica en dicha región se hace un pasivado inferior que hace que aumente la conductividad eléctrica del silicio en dicha zona pero no un pasivado completo ya que dichas zonas no están 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.

3.6 _ 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 goma EVA en la parte interior del panel solar recubriendo las células solares y aglutinando las mismas entre ellas y con el vidrio del panel de la parte frontal y con el Tedlar que se pone en la parte trasera del panel para aislar el EVA del exterior ya que ésta no es impermeable al agua ni a la humedad atmosférica, por lo tanto se pone el Tedlar que generalmente tiene color blanco en la parte posterior del panel para sellarlo y aislar el EVA y las células solares de la humedad atmosférica del exterior. Posteriormente se realiza el encuadrado 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 prueba 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

4 _ Paneles solares fotovoltaicos de Heterojuntura con Capa Fina Intrínseca


4.1 _ Panel de Heterojuntura con Capa Fina Intrínseca HIT

Los paneles fotovoltaicos HIT (Heterejunction with Intrinsuc Thin Layer) están fabricados con células solares híbridas de silicio monocristalino recubiertas con finas capas de silicio amorfo depositadas mediante el proceso PECVD que proporciona al silicio cristalino una excelente superficie de pasivación gracias a la baja temperatura de este proceso de deposición que es de unos 200 ºC.
El espesor de las finas capas de silicio amorfo ronda los 10 a 20 nm y sobre las dos caras de la células recubiertas de las capas dopadas de tipo n y p de silicio amorfo se recubren las mismas mediante una capa de un óxido conductor transparente (TCO) y luego sobre este se colocan las parrillas metálicas para la recolección de la corriente de la célula solar.
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, gracias entre otras cosas a que por la utilización del silicio amorfo en estas finas capas sobre el sustrato de silicio monocristalino se logren tensiones de la célula en circuito abierto del orden de los Vco = 730 mV, respecto de los 680 mV de tensión de circuito abierto que generalmente se generan en la células solares convencionales de silicio cristalino.
La célula 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 silicio amorfo en su parte superior e inferior de forma simétrica, lo que permite que los contactos en la parte trasera se puedan fabricar con una parrilla metálica como en la superficie frontal y hacer que esta célula pueda funcionar de forma bifacial o sea que absorba la luz de la parte frontal y de la parte trasera al mismo tiempo, logrando así que los paneles fotovoltaicos construidos 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.

4.2 _ Panel de Heterojuntura con Capa Fina Intrínseca 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 silicio 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 que tiene 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.

5 _ Células de lámina delgada

5.1 _ 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 tipicamente 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 desarrollando en los 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.

5.2 _ 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 en donde 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.


6 _ 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 flexible y 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 tandem. 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 tandem. 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 silicio 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 células tiene una proporción de producción de kWh generados por kWp instalados mayor que las células de silicio tradicionales ya que tiene un coeficiente de disminución de la eficiencia de la célula solar por la temperatura que es aproximadamente la mitad que el de las células de silicio policristalino 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 la proporción de producción, estimándose que estos paneles pueden producir hasta un 10% más de kWh por kWp instalado que los paneles solares de silicio cristalino.

Instalación 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 esto disminuir 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.

7 _ 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.