Una celda solar o celda fotovoltaica es un dispositivo eléctrico que convierte la luz del sol en electricidad mediante el efecto fotovoltaico. Estas celdas están hechas de materiales semiconductores, como el silicio. Es a partir de la unión de varias celdas solares que se forman los paneles solares.
En este artículo te explicamos qué son, cómo funcionan y qué tipos existen. Conoce por qué son clave en la generación de energía.
¿Qué es una celda solar o celda fotovoltaica?
Las celdas solares, también llamadas celdas fotovoltaicas, son equipos que transforman la energía incidente de la radiación de la luz solar en electricidad mediante el efecto fotovoltaico. Las celdas fotovoltaicas están hechas de materiales semiconductores, como el silicio, las cuales liberan electrones una vez que entren en contacto con la radiación o luz solar.
Es en las celdas fotovoltaicas donde se producen los 2 efectos más importantes: efecto fotoeléctrico y efecto fotovoltaico. Estas pequeñas unidades se interconectan para formar los paneles solares en una instalación. Por este motivo, las celdas solares son la base o pieza más esencial, que produce el funcionamiento de los paneles con celdas fotovoltaicas. A partir de este componente del panel solar, podemos generar energía propia de forma sostenible.
Características físicas de las celdas fotovoltaicas
La célula solar fotovoltaica más común es aquella que esta formada por una lámina de silicio cristalino de una densidad aproximadamente de 0,3 mm. La técnica de producción de la célula solar fotovoltaica tiene un alto nivel de sofisticación y delicadeza, ya que el material que compone la célula se debe caracterizar por su homogeneidad.
El campo eléctrico de la célula se origina a partir de la opuesta polarización de dos regiones de la célula solar fotovoltaica. Por norma general, la parte superior se caracteriza por tener una naturaleza negativa y el resto de la célula, por tener un carácter positivo para así poder establecer la unión p-n.
De esta manera, se obtiene que una de sus regiones tenga:
- Exceso de electrones, nombrada negativa o n, o también emisor o cátodo. Normalmente, está compuesta por la difusión de fósforo que tiene 5 electrones en la última órbita.
- Defecto de electrones, denominada zona positiva o p, o también receptor o ánodo. Como norma general, se obtiene sumando al silicio puro una reducida parte de boro que solo contiene 3 electrones de valencia.
A causa de esta disconformidad de carga eléctrica en el material que compone a la célula solar fotovoltaica, se origina el campo eléctrico que tiene como objetivo empujar a los electrones para que se aproximen a la salida de la célula por la superficie de la capa N, lo que supone que establezca una corriente eléctrica.
La célula fotovoltaica posee contactos eléctricos para así poder canalizar la energía que produce en el momento en que se la ilumina. Este tipo de contactos han sido trazados de forma ramificada (en la cara soleada). Se pueden distinguir dos contactos principales y, además, se encuentran las ramificaciones que los enlazan para recolectar mejor los electrones a lo largo de toda la superficie de la célula solar. El propósito es compaginar, al mismo tiempo, un adecuado contacto eléctrico, es decir, que cuente con una reducida resistividad, y conseguir la mínima sombra posible para que los fotones alcancen al material activo de la célula fotovoltaica.
Tras la explicación de la cara anterior de la célula, la cara posterior se caracteriza por que los contactos habitualmente suelen componer una trama apretada o, hasta llegados a un punto, forman una lámina ininterrumpida que posibilita la disminución del valor de la resistencia interna.
💡 ¿Sabías qué?
El funcionamiento de una celda solar se basa en el llamado “efecto fotovoltaico”. El origen del funcionamiento fue descubierto en 1838, por Alexandre-Edmond Becquerel, un físico francés. El creador tuvo este descubrimiento al notar que la corriente eléctrica producida por una pila reaccionaba en uno de los electrodos cuando tenía interacción con la radiación solar.
¿Cómo funcionan las celdas solares?
Las celdas solares de forma unitaria producen una cantidad muy limitada de electricidad. Por esta limitación, se necesita que las celdas fotovoltaicas se agrupen para generar la energía suficiente para abastecer alguna demanda energética.
Como ya mencionamos, dentro de estas unidades se desarrollan el efecto fotoeléctrico y el efecto fotovoltaico.
El proceso de funcionamiento de una celda solar se explica mediante en las siguientes etapas:
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Absorción de la radiación solar. La primera etapa es cuando la luz solar incide sobre las celdas fotovoltaicas. En este proceso, los fotones son absorbidos por un material semiconductor, que generalmente es el silicio, sean celdas solares de tipo policristalino o monocristalino.
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Movimiento de los electrones. La energía de los fotones genera que los electrones se liberen del átomo. Este movimiento de electrones produce una corriente eléctrica. Una vez libres, estos electrones se desplazan dentro del material, generando un flujo de carga, que es lo que conocemos como corriente eléctrica.
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La electricidad se desplaza. Gracias al diseño interno de las celdas solares, se crea un campo eléctrico como reacción. Este dirige los electrones hacia un circuito externo, donde fluye la electricidad que puede usarse en la instalación. Este proceso ocurre seguidamente mientras haya luz solar suficiente para el procedimiento.
¿Cuál es la eficiencia de las celdas solares?
Se conoce que la eficacia de transformación media adquirida por las células accesibles comercialmente elaboradas a partir de silicio monocristalino es menor a la eficacia de las células multicapa, generalmente compuestas de arseniuro de Gali.
La eficiencia de cada celda determina el porcentaje de eficiencia que ofrece el panel solar. Por ello, las investigaciones alrededor de los paneles se centran en crear celdas solares más eficientes.
Tipos de celdas solares que existen en el mercado
Existen varios tipos de celdas solares en el mercado que conforman los módulos fotovoltaicos. Sin embargo, los tipos de celdas fotovoltaicas más empleadas en aplicaciones residenciales, comerciales e industriales son tres: celdas amorfas, policristalinas y monocristalinas.
¿En qué se diferencian estos tipos de celdas solares? Principalmente, en su fabricación. Conozcamos mayor detalle sobre cada modelo de celda fotovoltaica presentada.
Conoce los tipos de celdas fotovoltaicas
- ➡️ Celdas fotovoltaicas amorfas Las celdas fotovoltaicas amorfas emplean una capa muy fina de silicio no cristalizado. Este tipo de celdas solares son flexibles, ligeras y sobre todo económicas. Su principal atributo es que pueden funcionar adecuadamente con baja radiación. Sin embargo, su eficiencia es limitada en comparación con otras tecnologías. Por lo que, para generar una mayor producción, se necesitarán más paneles.
- ➡️ Celdas fotovoltaicas policristalinas: Los modelos de celdas solares policristalinas están compuestos por varios cristales de silicio. A nivel físico, son de color azul y tienen un aspecto fragmentado. Tienen una eficiencia mediana y son más económicas que las monocristalinas. Es recomendable para quienes buscan un equilibrio entre rendimiento y precio, aunque se debe tomar en cuenta su rendimiento en altas temperaturas.
- ➡️ Celdas fotovoltaicas monocristalinas: Es un modelo de celda solar fabricada a partir de un solo cristal de silicio. Este tipo de celdas monocristalinas son de alta pureza, lo que le brinda una mayor cantidad de eficiencia, por lo que suelen tener un color negro uniforme. Ofrecen un mejor rendimiento en espacios reducidos y en condiciones de baja irradiación solar. Aunque su precio es más elevado, requiere una cantidad menor en las instalaciones.
- ➡️ Celdas bifaciles: Se tratan de celdas que captan la luz reflejada por el suelo (albedo). Esas celdas integran la tecnología TOPcon que ofrece una mayor resistencia a la degradación natural que sufren las celdas. Así es como ofrecen una duración de hasta más de 30 años.
Para hacer más simple la comparación entre celdas solares fotovoltaicas, presentamos un gráfico con el que podrás identificar de forma sencilla sus características físicas:
¿Cómo se fabrican las celdas fotovoltaicas?
La fabricación de una celda fotovoltaica comienza con un material al que se le conoce como silicio, el cual se obtiene de la arena de cuarzo. Este elemento pasa por un proceso de purificación y se forman pequeños bloques o lingotes, que luego. Posterior a esta etapa, se cortan en láminas muy delgadas llamadas obleas.
Una vez logradas las obleas, se le añaden capas químicas que crean una “unión” capaz de liberar electrones cuando la luz solar incide en la superficie. Para aprovechar esa corriente que se produce por el contacto con la luz solar, se colocan finos contactos metálicos en la parte superior e inferior de la celda. Estas permiten que la electricidad fluya hacia un circuito externo.
Para una mayor protección, a las células fotovoltaicas se les agrega una capa de vidrio, que les permite ser resistentes ante cualquier eventualidad. Como resultado, son agrupadas en módulos o paneles fotovoltaicos para satisfacer diferentes demandas eléctricas.
¿Para qué sirve una fotocelda o celda solar?
Desde su invención en el siglo XX, las celdas de tipo solar se han convertido en una herramienta clave para diversos sectores. Hoy en día elementos forman parte esencial de los paneles fotovoltaicos, la alta rentabilidad de los paneles ha permitido su inclusión en varios rubros.
Ahora que sabemos qué es una celda solar, surge la pregunta natural: ¿para qué sirve una fotocelda en el mundo real? La respuesta es amplia y cada vez más abarcadora:
Generación de energía eléctrica a nivel residencial e industrial
Los sistemas fotovoltaicos en viviendas y empresas permiten a las familias generar electricidad propia.
A nivel residencial, las celdas de paneles solares instaladas en tejados generan electricidad que reduce o elimina la factura de la luz, en algunos países, también se puede vender el excedente de energía. Además, sirve para aportar un valor significativo a la propiedad.
Las empresas emplean energía solar para alimentar diferentes equipos. Estos son maquinarias, sistemas de climatización y procesos de producción, que son más rentables con energía propia. Además de disminuir los costos operativos, favorecen a la imagen empresarial.
Agricultura y ganadería
Los paneles fotovoltaicos impulsan diferentes formas de potenciar el sector agrícola y ganadero. Por ejemplo, sistemas de riego, invernaderos y bombas de agua para zonas rurales sin acceso a la red eléctrica. Esta es una fuente de energía importante para reducir la dependencia de combustibles fósiles.
Automoción y transporte
Diferentes medios de transporte, tales como trenes, barcos y vehículos eléctricos, pueden incorporar paneles solares para alimentar sistemas eléctricos o para otorgar autonomía. Esto ayuda en desplazamientos largos o a mantenerse siempre conectado.
Telecomunicaciones
La integración de la energía solar garantiza la conectividad en condiciones extremas o emergencias. Esta permite proveer electricidad independiente para compañías de telefonía, antenas y estaciones remotas en zonas donde la cobertura es limitada.
Electrónica de consumo y dispositivos conectados a internet
La integración de la energía solar garantiza la conectividad en condiciones extremas o emergencias. Esta permite proveer electricidad independiente para compañías de telefonía, antenas y estaciones remotas en zonas donde la cobertura es limitada.
Zonas rurales y países en desarrollo
Una celda solar y una pequeña batería pueden llevar luz, comunicaciones y refrigeración médica a comunidades sin acceso a la red eléctrica. Es una de las herramientas más poderosas contra la pobreza energética.
El futuro de las celdas solares fotovoltaicas
En la actualidad los esfuerzos de los diferentos fabricantes está en fabricar celdas solares fotovoltaicas con mayor rendimiento. Estos son los avances más prometedores que definirán la próxima generación:
- Células de perovskita en tándem. La integración de una capa de perovskita sobre silicio permite crear celdas fotovoltaicas híbridas diseñadas para capturar un espectro solar mucho más extenso. Gracias a esta sinergia de materiales, los resultados en laboratorio ya han roto la barrera del 33% de eficiencia.
- Celdas solares orgánicas. Las celdas fotovoltaicas orgánicas destacan por su flexibilidad y translucidez. Estas propiedades permiten su incorporación directa en superficies no convencionales, como vidrios inteligentes o cubiertas curvas.
- Fotovoltaica integrada en edificios (BIPV). La celda fotovoltaica deja de ser un módulo añadido para convertirse en material de construcción: tejas solares, fachadas fotovoltaicas y ventanas generadoras están comenzando a transformar la arquitectura urbana.
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