10 junio 2021 / Sistemas fotovoltaicos
por Claudia Medina & Malte Neumeier
Los 6 tipos de paneles fotovoltaicos más famosos
Aprende sobre los 6 tipos de paneles fotovoltaicos: silicio cristalino (mono y poli) y capa delgada (Silicio amorfo, CdTe, CIGS, y orgánicos)
Existe una gran variedad de materiales y métodos de fabricación para producir módulos fotovoltaicos. Sin embargo, independientemente de sus diferencias, todos tienen el mismo objetivo: capturar la energía solar y convertirla en energía utilizable. Aquí te queremos presentar los 6 tipos de paneles fotovoltaicos más famosos, o para ser más preciso: los 6 tipos de células fotovoltaicas. Bien sabemos que los paneles están compuestos de células que convierten la energía de la luz solar en energía eléctrica mediante el uso del efecto fotoeléctrico [1].
Las células solares se pueden clasificar sencillamente en dos categorías, silicio cristalino y capa delgada, pues son los más comunes.
Células a base de silicio cristalino
La principal diferencia entre los diferentes tipos de células fotovoltaicas a base de silicio, es la pureza del silicio utilizado, ya que cuanto más puro es, mejor alineada esta su estructura molecular y así se convierte mejor la energía solar en electricidad. Además, entre más puro es el material mejor eficiencia tendrá el panel, aunque el aumentar la pureza del silicio implica procesos más costosos [2].
Célula de silicio monocristalino
Es una forma de silicio extremadamente pura y son bastante fáciles de reconocer debido a su coloración y apariencia uniforme. Las células monocristalinas están compuestas por un monocristal de silicio, es decir, durante su fabricación el crecimiento del cristal se controla de tal manera que se formará en una sola dirección, logrando una alineación continua y perfecta del material [3].
- Ventajas: Una de las ventajas más importantes de las células de silicio monocristalino es su eficiencia, pues son más eficientes que los equivalentes policristalinos o de película delgada por la pureza que contienen de silicio con resultados de entre un 17% y 20%. Debido a su apariencia lisa y uniforme, destacan con una estética atemporal.
- Desventajas: El proceso de producción es largo y exige mucha energía, lo que las hace más costosas. Asimismo, el proceso de fabricación produce un desperdicio significativo. Otro aspecto por considerar es la sombra, puesto que esto comúnmente genera la rotura del circuito. De igual manera, los paneles funcionan mejor en climas cálidos, y el rendimiento disminuye a medida que aumentan las temperaturas. El rango de temperatura para este tipo de panel va desde -20°C a 70°C. Su producción de salida durante su vida útil es de entre un 75% y 85% para un lapso de 25 años [4].
- Aplicación: Los paneles monocristalinos se utilizan generalmente para aplicaciones solares a gran escala, como instalaciones solares comerciales y residenciales. También se pueden emplear para aplicaciones de menor escala, y dependiendo de la aplicación el tamaño varía [5]. Especialmente, se recomiendan cuando el espacio disponible es limitado.
Célula de silicio policristalino
Este tipo de células, en comparación con las monocristalinas, tienen varios granos de cristal diminutos en lugar de una única estructura cristalina homogénea, ya que el crecimiento del cristal de silicio no está controlado y consecuentemente el cristal crece en todas las direcciones creando un conjunto de diferentes cristales unidos entre sí [2].
Imagen: Georg Slickers (CC BY-SA 3.0)
- Ventajas: Su técnica de fabricación es menos costosa que la de monocristal, reduciendo el costo final de estos dispositivos. Además, su proceso de fabricación genera pocos residuos y la tecnología permite un panel rentable.
- Desventajas: Las células policristalinas son menos eficientes que las de monocristal principalmente debido a la menor calidad de silicio que contienen con una eficiencia máxima del 16%. De igual manera que los monocristalinos, tiene un rendimiento similar con respecto a las temperaturas. Por otra parte, los paneles requieren más espacio cuando se instalan para producir la misma cantidad de energía eléctrica a la salida que un panel monocristalino [6].
- Aplicación: Los paneles policristalinos, por su óptima relación calidad-eficiencia, son los más utilizados en el mundo y se ofrecen en una amplia gama de potencias, desde 5 W hasta 250 W o más, para su uso tanto en instalaciones residenciales como comerciales [5].
Células de película delgada
Ciertamente, las células fotovoltaicas cristalinas de silicio dominan el mercado, las células también pueden fabricarse a partir de películas o capas delgadas, lo que las hace mucho más flexibles y duraderas [2].
Varias capas de material fotovoltaico se depositan sobre una base para formar estos paneles. Se pueden encontrar paneles de capa fina que utilizan silicio amorfo (a-Si), teluluro de cadmio (CdTe), cobre, indio, galio y selenio (GIS/CIGS) o células fotovoltaicas orgánicas (OPC) según el material empleado [2].
Células de silicio amorfo (a-Si)
A diferencia de las láminas tradicionales de células solares, las de silicio amorfo están construidas con silicio no cristalino y normalmente se fabrican mediante descarga luminiscente, pulverización catódica o evaporación. Además, se pueden producir en una variedad de sustratos que van desde vidrio hasta láminas delgadas flexibles (a-Si). La estructura típica del panel incluye vidrio del lado frontal, TCO, silicio de capa delgada, contacto posterior, butiral de polivinilo (PVB) y vidrio del lado posterior.
- Ventajas: La principal ventaja de a-Si en la producción a gran escala es su costo, ya que sus métodos de fabricación son relativamente baratos. Asimismo, el a-Si también es popular debido a que no es tóxico, es flexible y puede soportar temperaturas muy bajas (Amorphous_Silicon_Solar_Cells).
- Desventajas: Ciertamente la eficiencia de este tipo de célula no es la mejor debido a la calidad inferior del material y a un mayor número de defectos causados por tensiones térmicas durante el proceso de desarrollo, lo que reduce la vida útil del portador minoritario de la celda (a-Si disadvantages).
- Aplicación: Son los más ampliamente utilizados en aplicaciones de electrónica de área extensa, principalmente para pantallas de cristal líquido (LCD).
Células de teluluro de cadmio (CdTe)
Este tipo de células, junto con las de CIGS, corresponden a tecnologías fotovoltaicas avanzadas de mayor eficiencia en la producción de películas delgadas. Su diseño de la presente célula se basa en configuración de sustrato, en donde se depositan los materiales activos, que a su vez actúan como una ventana transparente que logra permitir la radiación solar. Este sustrato es una hoja de vidrio que está cubierta con una película delgada de óxido de estaño dopado con flúor (FTO). La fabricación consiste en una deposición de capas de sulfuro de cadmio y teluro de cadmio (CdS/CdTe), las cuales llevan a cabo la conducción del contacto posterior. En esta etapa se consideran diferentes procesos, como el de sublimación de espacio cerrado, métodos químicos y electroquímicos (CdTe).
- Ventajas: Las células de CdTe son tecnología fotovoltaica con la mejor realción costo-eficiencia; y su tiempo de retorno energético es el más corto. Además, su fabricación necesita muy poca agua, y tienen la mejor huella de carbono, osea evitan más CO₂ a lo largo de su ciclo de vida. (Bagher 2015)
- Desventajas: Un problema significativo con este tipo de células es la contaminación que generan, pues están fabricadas con cadmio que es un metal tóxico y nocivo para el medio ambiente y la salud humana. Asimismo, la disposición de este tipo de panales sigue siendo un problema (CdTe thin film).
- Aplicación: Se utilizan para instalaciones solares comerciales y residenciales, también para aplicaciones industriales y médicas (Applications).
Células de cobre, indio, galio y selenio (GIS/CIGS)
Estas células contienen elementos como cobre, indio, galio y selenio o azufre que son considerados como los mejores materiales de absorción con eficiencias de tecnología de película delgada. Estas células se fabrican por procesos de pulverización catódica o evaporación conjunta. Cabe mencionar que una de las tres etapas que conforman la coevaporación de los elementos Cu, In, Ga y Se permite hacer una capa de CIGS, cuya característica principal es lograr la formación de una capa absorbedora (CIGS).
- Ventajas: Su eficiencia es mejor que la de las células de CdTe posicionándolas como las más eficientes dentro de las tecnologías de película delgada y su excelente resistencia al calor las hace aún más atractivas, pues son más resistentes que las de silicio. Además, no contiene compuestos tóxicos (thin-film-cdte-cigs).
- Desventajas: Uno de los principales problemas de este tipo de células es su encapsulación, pues son susceptibles al daño por la humedad. Por otro lado, su eficiencia no es buena como la de las células solares de silicio cristalino (thin-film-cdte-cigs).
- Aplicación: Tiene diversas aplicaciones como semiconductor en como autos eléctricos, autobuses, camiones, trenes y estructuras para techos de membrana. De igual manera, es utilizado para dispositivos electrónicos como cargadores y accesorios (equipaje y mochilas) (application).
Células orgánicas (OPV)
Este tipo de tecnología es relativamente nueva, por lo que puede mejorarse. Cabe mencionar existen 3 tipos de celdas solares orgánicas, siendo las moleculares, de polímeros orgánicos e híbridas, donde las basadas en polímeros orgánicos semiconductores son las más empleadas. Su proceso de fabricación se puede comparar como el proceso llevado a cabo en una imprenta, pues la tinta que se usa sería el material que conforma la capa se esté agregando. Asimismo, existen otro tipo de proceso de fabricación que se basa en técnicas de revestimiento o cobertura, en donde se incorporan las diferentes capas de forma continua, cubriendo por completo la superficie donde se ha de colocar la capa deseada (OPV).
- Ventajas: Dentro de las diversas ventajas que presenta este tipo de tecnología, sobresale su impacto ambiental, pues son ecológicas (biodegradables) y sus residuos no producen problemas como las células de silicio. Asimismo, su adaptabilidad a cualquier superficie (ej. Funcionan en soportes transparentes), su proceso de fabricación económico (rentable), su instalación y trasporte las hace atractivas (OPV ad).
- Desventajas: Una de sus potenciales desventajas es lo fácil que se degradan y su poca estabilidad, sin embargo, se sigue trabajando para hacerlas más duraderas (OPV dis).
- Aplicación: Tienen una aplicación potencial en los dispositivos portátiles, marketing en el punto de compra, etiquetas inteligentes, ropa electrónica (ropa deportiva, uniformes militares, etc), aplicaciones de edificios internos y uso fuera de la red en países en desarrollo (OPV dis).
Referencias
- Rahman, AZMS (2016): «Solid State Luminescent Materials: Applications». Materials Science and Materials Engineering. doi: 10.1016/B978-0-12-803581-8.04078-9.
- IRENA (2016): «End-of-life management: Solar Photovoltaic Panels». ISBN: 978-92-95111-99-8.
Ouma C (2021): «How Monocrystalline Solar Cells Work.» Exploring Green Technology. Accedido el 27 de junio de 2021.
- Zain NH, Ab Kadir NZ, Izadi M, Ahmad, NI, Radzi, MAM, Azis N (2015): «The effect of temperature on a mono-crystalline solar PV panel.» IEEE Conference on Energy Conversion (CENCON). doi: 10.1109/CENCON.2015.7409548.
- AZoCleantech (2018): «Solar (PV) Panel Comparison for Efficiency, Material, Voltage.» Accedido el 27 de junio de 2021.
- Bayod-Rújula AA (2019): «Solar photovoltaics (PV).» Solar Hydrogen Production: Processes, Systems and Technologies. Chapter 8. Academic Press; 237-295. doi: 10.1016/B978-0-12-814853-2.00008-4.
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