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Una breve discusión sobre los tipos de células solares.
En el pasado, la energía solar era algo exclusivo de naves espaciales avanzadas y algunos aparatos sofisticados, pero ya no es así. En la última década, la energía solar ha pasado de ser una fuente de energía de nicho a convertirse en un pilar fundamental del panorama energético mundial.
La Tierra está expuesta continuamente a aproximadamente 173.000 TW de radiación solar, lo que supone más de diez veces la demanda media mundial de electricidad.
[1] Esto significa que la energía solar tiene la capacidad de satisfacer todas nuestras necesidades energéticas.
En la primera mitad de 2023, la generación de energía solar representó el 5,77% de la generación total de energía de EE. UU., frente al 4,95% en 2022.
[2] Aunque los combustibles fósiles (principalmente gas natural y carbón) representarán hasta el 60,4% de la generación de energía de EE. UU. en 2022,
[3] Pero la creciente influencia de la energía solar y el rápido desarrollo de la tecnología de la energía solar merecen atención.
En la actualidad, existen tres categorías principales de células solares (también conocidas como células fotovoltaicas) en el mercado: las cristalinas, las de película fina y las de tecnologías emergentes. Estos tres tipos de baterías tienen sus propias ventajas en términos de eficiencia, costo y vida útil.
01 cristal
La mayoría de los paneles solares para tejados de viviendas están fabricados con silicio monocristalino de alta pureza. Este tipo de baterías ha alcanzado una eficiencia de más del 26% y una vida útil de más de 30 años en los últimos años.
[4] La eficiencia actual de los paneles solares domésticos es de aproximadamente el 22%.
El silicio policristalino cuesta menos que el silicio monocristalino, pero es menos eficiente y tiene una vida útil más corta. Una menor eficiencia significa que se necesitan más paneles y más superficie.
Células solaresLas células solares basadas en la tecnología de arseniuro de galio (GaAs) de unión múltiple son más eficientes que las tradicionales. Estas células tienen una estructura multicapa y cada capa utiliza un material diferente, como fosfuro de indio y galio (GaInP), arseniuro de indio y galio (InGaAs) y germanio (Ge), para absorber diferentes longitudes de onda de la luz solar. Aunque se espera que estas células de unión múltiple alcancen una alta eficiencia, aún sufren altos costos de fabricación y una investigación y desarrollo inmaduros, lo que limita su viabilidad comercial y aplicaciones prácticas.
02 película
La corriente principal de productos fotovoltaicos de película delgada en el mercado global son los módulos fotovoltaicos de telururo de cadmio (CdTe). Se han instalado millones de estos módulos en todo el mundo, con una capacidad de generación de energía máxima de más de 30 GW. Se utilizan principalmente para la generación de energía a escala de servicios públicos en los Estados Unidos.
En esta tecnología de película delgada, un módulo solar de un metro cuadrado contiene menos cadmio que una batería de níquel-cadmio (Ni-Cd) de tamaño AAA. Además, el cadmio de los módulos solares está ligado al telurio, que es insoluble en agua y permanece estable a temperaturas de hasta 1200 °C. Estos factores mitigan los riesgos tóxicos del uso de telururo de cadmio en baterías de película delgada.
El contenido de telurio en la corteza terrestre es de tan solo 0,001 partes por millón. Así como el platino es un elemento raro, la rareza del telurio puede afectar significativamente el costo de un módulo de telururo de cadmio. Sin embargo, es posible aliviar este problema mediante prácticas de reciclaje.
La eficiencia de los módulos de telururo de cadmio puede alcanzar el 18,6% y la eficiencia de la batería en un entorno de laboratorio puede superar el 22%. [5] El uso de dopaje con arsénico para reemplazar el dopaje con cobre, que se ha utilizado durante mucho tiempo, puede mejorar en gran medida la vida útil del módulo y alcanzar un nivel comparable a las baterías de cristal.
03Tecnologías emergentes
Las nuevas tecnologías fotovoltaicas que utilizan películas ultradelgadas (de menos de 1 micrón) y técnicas de deposición directa reducirán los costos de producción y proporcionarán semiconductores de alta calidad para células solares. Se espera que estas tecnologías se conviertan en competidores de materiales establecidos como el silicio, el telururo de cadmio y el arseniuro de galio.
[6] Existen tres tecnologías de película delgada bien conocidas en este campo: sulfuro de cobre, zinc y estaño (Cu2ZnSnS4 o CZTS), fosfuro de zinc (Zn3P2) y nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT). En un entorno de laboratorio, las células solares de cobre, indio y seleniuro de galio (CIGS) han alcanzado una impresionante eficiencia máxima del 22,4 %. Sin embargo, replicar tales niveles de eficiencia a escala comercial sigue siendo un desafío.
[7] Las células de película fina de perovskita de haluro de plomo son una tecnología solar emergente muy atractiva. La perovskita es un tipo de sustancia con una estructura cristalina típica de fórmula química ABX3. Es un mineral de color amarillo, marrón o negro cuyo componente principal es el titanato de calcio (CaTiO3). Las células solares en tándem de perovskita basadas en silicio a escala comercial producidas por la empresa británica Oxford PV han alcanzado una eficiencia récord del 28,6% y entrarán en producción este año.
[8] En tan solo unos años, las células solares de perovskita han alcanzado eficiencias similares a las de las células de película delgada de telururo de cadmio existentes. En las primeras investigaciones y desarrollos de las baterías de perovskita, la vida útil era un tema importante, tan corta que solo podía calcularse en meses.
En la actualidad, las células de perovskita tienen una vida útil de 25 años o más. Las ventajas actuales de las células solares de perovskita son la alta eficiencia de conversión (más del 25%), los bajos costos de producción y las bajas temperaturas requeridas para el proceso de producción.
Construcción de paneles solares integrados
Algunas células solares están diseñadas para capturar solo una parte del espectro solar y dejar pasar la luz visible. Estas células transparentes se denominan células solares sensibilizadas por colorante (DSC) y nacieron en Suiza en 1991. Los nuevos resultados de I+D de los últimos años han mejorado la eficiencia de las DSC y es posible que no pase mucho tiempo antes de que estos paneles solares estén en el mercado.
Algunas empresas introducen nanopartículas inorgánicas en capas de policarbonato de vidrio. Las nanopartículas de esta tecnología desplazan partes específicas del espectro hacia el borde del vidrio, lo que permite que la mayor parte del espectro pase a través de él. La luz concentrada en el borde del vidrio es entonces aprovechada por células solares. Además, actualmente se está estudiando la tecnología para aplicar materiales de película delgada de perovskita a ventanas solares transparentes y paredes exteriores de edificios.
Materias primas necesarias para la energía solar
Para aumentar la generación de energía solar, aumentará la demanda de extracción de materias primas importantes como el silicio, la plata, el cobre y el aluminio. El Departamento de Energía de Estados Unidos afirma que aproximadamente el 12% del silicio de grado metalúrgico (MGS) del mundo se procesa para producir polisilicio para paneles solares.
China es un actor importante en este campo, produciendo aproximadamente el 70% del MGS del mundo y el 77% de su suministro de polisilicio en 2020.
El proceso de conversión del silicio en polisilicio requiere temperaturas muy altas. En China, la energía para estos procesos proviene principalmente del carbón. Xinjiang tiene abundantes recursos de carbón y bajos costos de electricidad, y su producción de polisilicio representa el 45% de la producción mundial.
[12] La producción de paneles solares consume aproximadamente el 10% de la plata del mundo. La extracción de plata se realiza principalmente en México, China, Perú, Chile, Australia, Rusia y Polonia y puede provocar problemas como la contaminación por metales pesados y la reubicación forzada de comunidades locales.
La minería de cobre y aluminio también plantea desafíos en materia de uso del suelo. El Servicio Geológico de Estados Unidos señala que Chile representa el 27% de la producción mundial de cobre, seguido de Perú (10%), China (8%) y la República Democrática del Congo (8%). La Agencia Internacional de Energía (AIE) cree que si el uso mundial de energía renovable alcanza el 100% en 2050, la demanda de cobre procedente de proyectos solares casi se triplicará.
[13]Conclusión
¿Se convertirá algún día la energía solar en nuestra principal fuente de energía? El precio de la energía solar está bajando y la eficiencia está mejorando. Mientras tanto, hay muchas opciones de tecnología solar entre las que elegir. ¿Cuándo identificaremos una o dos tecnologías y las haremos funcionar realmente? ¿Cómo integrar la energía solar en la red?
La evolución de la energía solar, que pasó de ser una especialidad a convertirse en una energía de uso generalizado, pone de relieve su potencial para satisfacer y superar nuestras necesidades energéticas. Si bien las células solares cristalinas dominan actualmente el mercado, los avances en la tecnología de película fina y las tecnologías emergentes, como el telururo de cadmio y las perovskitas, están allanando el camino para aplicaciones solares más eficientes e integradas. La energía solar todavía se enfrenta a muchos desafíos, como el impacto ambiental de la extracción de materias primas y los cuellos de botella en la producción, pero, después de todo, es una industria de rápido crecimiento, innovadora y prometedora.
Con el equilibrio adecuado entre avances tecnológicos y prácticas sostenibles, el crecimiento y el desarrollo de la energía solar allanarán el camino hacia un futuro energético más limpio y abundante. Por ello, mostrará un crecimiento significativo en la matriz energética de Estados Unidos y se espera que se convierta en una solución sostenible a nivel mundial.