Fundamentos de la Unión PN y Tecnología de Células Fotovoltaicas
Fundamentos de la Unión PN y el Efecto Fotoeléctrico
La unión PN se compone de dos elementos fundamentales:
- Semiconductor tipo P: Silicio dopado con impurezas aceptadoras, lo que resulta en 3 electrones en su capa de valencia.
- Semiconductor tipo N: Silicio dopado con impurezas donadoras, poseyendo 5 electrones en su capa de valencia.
Cuando se unen dos semiconductores N y P, se crea una zona de deplexión o vaciamiento de carga en la unión de ambos, generando un campo eléctrico que se opone al movimiento. Por otro lado, el efecto fotoeléctrico consiste en la corriente eléctrica generada en una unión PN cuando incide la radiación solar (energía) sobre ella.
Tipos de Células Fotovoltaicas
Existen diversas tecnologías para la captación de energía solar, cada una con características específicas:
Células de Silicio Monocristalino
- Estructura cristalina uniforme.
- Fabricación lenta con alto consumo de energía.
- Coste más elevado pero con mayor eficiencia.
Células de Silicio Policristalino
- Estructura no uniforme.
- Fabricación en bloques rectangulares.
- Eficiencia situada entre el 13% y el 16%.
Células de Capa Fina
- Consiste en una fina capa de material semiconductor sobre cristal.
- Bajo coste de fabricación.
- Menor eficiencia (aprox. 6%) y degradación más rápida.
Otras Tecnologías Emergentes
- Arseniuro de Galio (GaAs): Presenta un rendimiento mayor al 25%, aunque su fabricación es muy cara y el material es escaso.
- Esferas de Silicio: Comenzaron a comercializarse en 2004; son pequeñas gotas de silicio embebidas en una resina transparente y conectadas por dos capas de aluminio.
- Células solares translúcidas: Caracterizadas por ser menos eficientes que las convencionales.
Pérdidas de Energía y Rendimiento en la Célula
El rendimiento final de una célula se ve afectado por diversos factores de pérdida:
- Sombras en las conexiones: 3%
- Energía de fotones demasiado baja: 22%
- Energía de fotones demasiado alta: 30%
- Recombinaciones internas: 8,5%
- Pérdidas de tensión y resistencia: 20,5%
Considerando estos factores, el rendimiento final se calcula como: 100% - 84% = 16%.
Partes de un Módulo Fotovoltaico
Un módulo fotovoltaico está compuesto por los siguientes elementos estructurales:
- Cubierta frontal: Actúa como un buen transmisor solar y protege contra agentes atmosféricos. Su superficie es antirreflexiva y antiadherente.
- Encapsulado: Debe permitir la transmisión de la radiación solar sin degradarse ante la luz ultravioleta.
- Cubierta posterior: Protege al módulo contra agentes atmosféricos y proporciona aislamiento eléctrico.
- Marco: Proporciona rigidez, resistencia y el sistema de fijación necesario.
- Conexiones: Se sitúan en la parte posterior dentro de una caja que las protege del polvo; es vital evitar la entrada de agua en dicha caja.
Proceso de Fabricación de un Módulo Fotovoltaico
El flujo de producción sigue una secuencia técnica precisa:
- Arena
- Reducción
- Silicio líquido
- Destilación fraccionada
- Silicio puro
- Lingote monocristal
- Corte de obleas
- Dopado P
- Unión
- Metalización
- Antirreflexión
- Montaje
- Soldado
- Encapsulado