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Una breve discusión sobre los tipos de células solares.
La energía solar solía ser exclusiva de naves espaciales avanzadas y algunos dispositivos sofisticados, pero ya no es así. En la última década, ha pasado de ser una fuente de energía de nicho a 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 Estados Unidos en 2022,
[3] Pero la creciente influencia de la energía solar y el rápido desarrollo de la tecnología de la energía solar merecen atención.
Actualmente, existen tres categorías principales de células solares (también conocidas como células fotovoltaicas [PV]) en el mercado: cristalinas, de película delgada y de tecnologías emergentes. Estos tres tipos de baterías presentan ventajas propias en términos de eficiencia, coste y vida útil.
01 cristal
La mayoría de los paneles solares para techos domésticos están fabricados con silicio monocristalino de alta pureza. Este tipo de batería ha alcanzado una eficiencia superior al 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 alrededor del 22%.
El silicio policristalino es más económico que el silicio monocristalino, pero es menos eficiente y tiene una vida útil más corta. Una menor eficiencia implica la necesidad de más paneles y mayor superficie.
Células solaresLas celdas solares basadas en tecnología de arseniuro de galio (GaAs) multiunión son más eficientes que las tradicionales. Estas celdas 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. Si bien se espera que estas celdas multiunión alcancen altas eficiencias, aún presentan altos costos de fabricación y una investigación y desarrollo incipiente, lo que limita su viabilidad comercial y sus aplicaciones prácticas.
02 película
Los módulos fotovoltaicos de película delgada son la corriente principal en el mercado global. 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 gran escala en Estados Unidos.
En esta tecnología de película delgada, un módulo solar de 1 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 se mantiene 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. Al igual que 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 mitigar 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 tecnologías fotovoltaicas emergentes que utilizan películas ultrafinas (menos de 1 micrón) y técnicas de deposición directa reducirán los costos de producción y proporcionarán semiconductores de alta calidad para celdas solares. Se espera que estas tecnologías compitan con materiales consolidados 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 el laboratorio, las células solares de seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) han alcanzado una impresionante eficiencia máxima del 22,4 %. Sin embargo, replicar estos niveles de eficiencia a escala comercial sigue siendo un reto.
[7] Las células de película delgada de perovskita de haluro de plomo son una atractiva tecnología solar emergente. 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, producidas a escala comercial 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 etapas de la investigación y el desarrollo de las baterías de perovskita, la vida útil era un factor clave, tan corta que solo podía calcularse en meses.
Actualmente, las células solares de perovskita tienen una vida útil de 25 años o más. Sus ventajas son su alta eficiencia de conversión (superior al 25%), sus 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, permitiendo el paso de la luz visible. Estas células transparentes se denominan células solares sensibilizadas por colorante (DSC) y surgieron 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 estos paneles solares estén disponibles en el mercado próximamente.
Algunas empresas incorporan nanopartículas inorgánicas en capas de policarbonato. Las nanopartículas de esta tecnología desplazan partes específicas del espectro hacia el borde del vidrio, permitiendo el paso de la mayor parte del espectro. La luz concentrada en el borde del vidrio es entonces aprovechada por células solares. Además, 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 EE. UU. afirma que aproximadamente el 12 % del silicio de grado metalúrgico (MGS) del mundo se procesa en 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 de silicio en polisilicio requiere temperaturas muy altas. En China, la energía para estos procesos proviene principalmente del carbón. Xinjiang cuenta con 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 mundial. La minería de plata se realiza principalmente en México, China, Perú, Chile, Australia, Rusia y Polonia, y puede generar problemas como la contaminación por metales pesados y la reubicación forzada de comunidades locales.
La minería de cobre y aluminio también plantea desafíos en el 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 energías renovables alcanza el 100 % para 2050, la demanda de cobre proveniente 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, existen muchas opciones de tecnología solar. ¿Cuándo identificaremos una o dos tecnologías y las haremos realmente efectivas? ¿Cómo integrar la energía solar en la red eléctrica?
La evolución de la energía solar, de especializada a convencional, 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 delgada 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 aún enfrenta numerosos desafíos, como el impacto ambiental de la extracción de materias primas y los cuellos de botella en la producción, pero, al fin y al cabo, es una industria en rápido crecimiento, innovadora y prometedora.
Con el equilibrio adecuado entre avances tecnológicos y prácticas sostenibles, el crecimiento y desarrollo de la energía solar allanará el camino hacia un futuro energético más limpio y abundante. Por ello, mostrará un crecimiento significativo en la matriz energética estadounidense y se espera que se convierta en una solución sostenible a nivel mundial.