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Una breve discusión sobre los tipos de células solares.
La energía solar alguna vez fue dominio exclusivo de las naves espaciales avanzadas y de algunos dispositivos sofisticados, pero ese ya no es el caso. Durante la última década, la energía solar ha pasado de ser una fuente de energía de nicho a un pilar importante del panorama energético mundial.
La Tierra está continuamente expuesta 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 el primer semestre de 2023, la generación de energía solar representó el 5,77% de la generación eléctrica total 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 estadounidense 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 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 hechos de silicio monocristalino de alta pureza. Este tipo de baterías ha conseguido en los últimos años una eficiencia superior al 26% y una vida útil superior a los 30 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 área.
Células solares Las células solares basadas en tecnología de arseniuro de galio (GaAs) de uniones múltiples son más eficientes que las células solares 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 multiunión alcancen altas eficiencias, todavía 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 máxima de generación de energía de más de 30 GW. Se utilizan principalmente para la generación de energía a escala de servicios públicos en los Estados Unidos. fábrica.
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 unido al telurio, que es insoluble en agua y permanece estable a temperaturas de hasta 1.200°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 sólo 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 de cobre, que se ha utilizado durante mucho tiempo, puede mejorar en gran medida la vida útil del módulo y alcanzar un nivel comparable al de las baterías de cristal.
03Tecnologías emergentes
Las tecnologías fotovoltaicas emergentes que utilizan películas ultrafinas (menos de 1 micra) y técnicas de deposición directa reducirán los costos de producción y proporcionarán semiconductores de alta calidad para células solares. Se espera que estas tecnologías compitan con 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 y 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 seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) han alcanzado una impresionante eficiencia máxima del 22,4%. Sin embargo, replicar esos niveles de eficiencia a escala comercial sigue siendo un desafío.
[7]Las células de película delgada de perovskita de haluro de plomo son una tecnología solar emergente y 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 a base de 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 logrado eficiencias similares a las de las células de película delgada de telururo de cadmio existentes. En las primeras investigaciones y desarrollo de las baterías de perovskita, la vida útil era un gran problema, tan corta que sólo podía calcularse en meses.
Hoy en día, las células de perovskita tienen una vida útil de 25 años o más. Actualmente, las ventajas 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.
Construyendo paneles solares integrados
Algunas células solares están diseñadas para capturar sólo una parte del espectro solar y al mismo tiempo permitir el paso de 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 puede que no pase mucho tiempo antes de que estos paneles solares estén en el mercado.
Algunas empresas infunden nanopartículas inorgánicas en capas de vidrio de policarbonato. Las nanopartículas de esta tecnología desplazan partes específicas del espectro hacia el borde del vidrio, permitiendo que pase la mayor parte del espectro. La luz concentrada en el borde del cristal es luego aprovechada por células solares. Además, actualmente se está estudiando la tecnología para aplicar materiales de película fina 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 importantes materias primas como silicio, plata, cobre y 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 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 minería de plata ocurre 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 del cobre y el aluminio también plantea desafíos en materia de uso de la tierra. El Servicio Geológico de Estados Unidos señala que Chile representa el 27% de la producción mundial de cobre, seguido por Perú (10%), China (8%) y la República Democrática del Congo (8%). La Agencia Internacional de Energía (AIE) cree que si el uso global de energía renovable alcanza el 100% para 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 rutas diferentes de tecnología solar para elegir. ¿Cuándo identificaremos una o dos tecnologías y las haremos funcionar? ¿Cómo integrar la energía solar a la red?
La evolución de la energía solar desde una especialidad hasta una corriente principal resalta 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 todavía enfrenta 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 desarrollo de la energía solar allanará el camino hacia un futuro energético más limpio y abundante. Debido a esto, mostrará un crecimiento significativo en la combinación energética de EE. UU. y se espera que se convierta en una solución sostenible global.