Energía fotovoltaica

Paneles solares en la Estación Espacial Internacional

La energía fotovoltaica ( FV ) consiste en la conversión de luz en electricidad mediante materiales semiconductores que presentan el efecto fotovoltaico , un fenómeno estudiado en física , fotoquímica y electroquímica . El efecto fotovoltaico se utiliza comercialmente para la generación de electricidad y como fotosensores .

Un sistema fotovoltaico utiliza módulos solares , cada uno compuesto por varias células solares , que generan energía eléctrica. Las instalaciones fotovoltaicas pueden ser terrestres, en tejados, murales o flotantes. El soporte puede ser fijo o utilizar un seguidor solar para seguir la trayectoria del sol.

La tecnología fotovoltaica ayuda a mitigar el cambio climático porque emite mucho menos dióxido de carbono que los combustibles fósiles . La energía solar fotovoltaica tiene ventajas específicas como fuente de energía: una vez instalada, su funcionamiento no genera contaminación ni emisiones de gases de efecto invernadero ; muestra escalabilidad con respecto a las necesidades energéticas y el silicio tiene una gran disponibilidad en la corteza terrestre, aunque otros materiales necesarios en la fabricación de sistemas fotovoltaicos, como la plata, pueden limitar el crecimiento futuro de la tecnología. Otras limitaciones importantes identificadas incluyen la competencia por el uso de la tierra. ^{[ 1 ]} El uso de la energía fotovoltaica como fuente principal requiere sistemas de almacenamiento de energía o distribución global mediante líneas eléctricas de corriente continua de alta tensión, lo que genera costos adicionales, y también tiene otras desventajas específicas, como la generación de energía variable que debe equilibrarse. La producción e instalación sí causan cierta contaminación y emisiones de gases de efecto invernadero , aunque solo una fracción de las emisiones causadas por los combustibles fósiles . ^{[ 2 ]}

Los sistemas fotovoltaicos se han utilizado durante mucho tiempo en aplicaciones especializadas como instalaciones autónomas y los sistemas fotovoltaicos conectados a la red se han utilizado desde la década de 1990. ^{[ 3 ]} Los módulos fotovoltaicos se produjeron en masa por primera vez en 2000, cuando el gobierno alemán financió un programa de cien mil tejados. ^{[ 4 ]} La disminución de los costes ha permitido que la energía fotovoltaica crezca como fuente de energía. Esto se ha impulsado en parte por la enorme inversión del gobierno chino en el desarrollo de la capacidad de producción solar desde 2000 y el logro de economías de escala . Las mejoras en la tecnología de fabricación y la eficiencia también han llevado a la disminución de los costes. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} La medición neta y los incentivos financieros, como las tarifas de alimentación preferenciales para la electricidad generada por energía solar, han apoyado las instalaciones solares fotovoltaicas en muchos países. ^{[ 7 ]} Los precios de los paneles cayeron en un factor de 4 entre 2004 y 2011. Los precios de los módulos cayeron en aproximadamente un 90 % durante la década de 2010.

En 2022, la capacidad fotovoltaica instalada a nivel mundial aumentó a más de 1 teravatio (TW), cubriendo casi el dos por ciento de la demanda mundial de electricidad . ^{[ 8 ]} Después de la energía hidroeléctrica y eólica , la fotovoltaica es la tercera fuente de energía renovable en términos de capacidad global. En 2022, la Agencia Internacional de Energía esperaba un crecimiento de más de 1 TW entre 2022 y 2027. ^{[ 9 ]} En algunos casos, la fotovoltaica ha ofrecido la fuente de energía eléctrica más barata en regiones con alto potencial solar, con una oferta de precios tan bajos como 0,015 US$/ kWh en Qatar en 2023. ^{[ 10 ]} En 2023, la Agencia Internacional de Energía declaró en su Perspectiva Energética Mundial que "[p]ara proyectos con financiación de bajo costo que aprovechan recursos de alta calidad, la energía solar fotovoltaica es ahora la fuente de electricidad más barata de la historia. ^{[ 11 ]}

Etimología

El término «fotovoltaico» proviene del griego φῶς ( phōs ), que significa «luz», y de «voltio», la unidad de fuerza electromotriz , que a su vez proviene del apellido del físico italiano Alessandro Volta , inventor de la batería ( celda electroquímica ). El término «fotovoltaico» se utiliza en inglés desde 1849. ^{[ 12 ]}

Historia

En 1839, el científico francés Edmond Becquerel observó por primera vez el efecto fotovoltaico cuando notó que una solución metálica expuesta a la radiación solar producía una corriente eléctrica. ^{[ 13 ]}

En 1989, el Ministerio de Investigación y Tecnología de Alemania puso en marcha el primer programa de financiación de tejados fotovoltaicos. El programa fue dirigido por Walter Sandtner en Bonn, Alemania. ^{[ 14 ]}

En 1994, Japón siguió sus pasos y llevó a cabo un programa similar con 539 sistemas fotovoltaicos residenciales instalados. ^{[ 15 ]} Desde entonces, muchos países han continuado produciendo y financiando sistemas fotovoltaicos.

Celdas solares

La energía fotovoltaica es más conocida como un método para generar energía eléctrica mediante el uso de células solares que convierten la energía del sol en un flujo de electrones por el efecto fotovoltaico . ^{[ 16 ]}^{[ 17 ]}

Las células solares producen electricidad de corriente continua a partir de la luz solar, la cual puede utilizarse para alimentar equipos o recargar baterías . La primera aplicación práctica de la energía fotovoltaica fue alimentar satélites en órbita y otras naves espaciales , pero hoy en día la mayoría de los módulos fotovoltaicos se utilizan en sistemas conectados a la red para la generación de energía. En este caso, se requiere un inversor para convertir la corriente continua en corriente alterna . También existe un mercado más pequeño para sistemas autónomos destinados a viviendas remotas, embarcaciones , vehículos recreativos , automóviles eléctricos , teléfonos de emergencia en carretera, teledetección y protección catódica de tuberías .

La generación de energía fotovoltaica emplea módulos solares compuestos por varias células solares que contienen un material semiconductor. ^{[ 18 ]} Los cables solares de cobre conectan los módulos (cable de módulo), los conjuntos (cable de conjunto) y los subcampos. Debido a la creciente demanda de fuentes de energía renovables , la fabricación de células solares y conjuntos fotovoltaicos ha avanzado considerablemente en los últimos años. ^{[ 19 ]}^{[ 20 ]}^{[ 21 ]}

Las células requieren protección del medio ambiente ^{[ 22 ]} y generalmente se empaquetan de forma compacta en módulos solares.

La potencia de los módulos fotovoltaicos se mide en condiciones de prueba estándar (STC) en "Wp _" ( vatios pico ). ^{[ 23 ]} La potencia real de salida en un lugar determinado puede ser menor o mayor que este valor nominal, dependiendo de la ubicación geográfica, la hora del día, las condiciones climáticas y otros factores. ^{[ 24 ]} Los factores de capacidad de los conjuntos solares fotovoltaicos suelen ser inferiores al 25 % cuando no están acoplados a un sistema de almacenamiento, lo que es menor que muchas otras fuentes de electricidad industriales. ^{[ 25 ]}

Eficiencia de las células solares

La eficiencia de una célula solar es la porción de energía de la luz solar que se convierte en electricidad . La eficiencia, junto con la latitud y las condiciones climáticas, determina la producción de energía de un sistema solar.

En 2024, el récord de eficiencia de las células solares era del 47,6 %, establecido en mayo de 2022 por Fraunhofer ISE , con una célula fotovoltaica de concentración (CPV) de cuatro uniones III-V. ^{[ 26 ]}^{[ 27 ]} El récord en condiciones reales lo ostenta NREL, que desarrolló células de triple unión con una eficiencia probada del 39,5 %. ^{[ 28 ]}^{[ 29 ]}

Los módulos solares comerciales pueden superar el 24 % de eficiencia. ^{[ 30 ]}^{[ 31 ]} A partir de 2025, ^{[ 32 ]} los mejores alcanzaron el 24,5 %, ^{[ 33 ]} generalmente inferior a sus celdas aisladas. Los módulos solares producidos en masa más eficientes tienen valores de densidad de potencia de 175 W/m² ⁽ 16,22 W/ft² ⁾ . ^{[ 34 ]}

En 2026, utilizando celdas de germanio III-V triples y tecnología de matriz superpuesta para interconectar las celdas, Fraunhofer logró una eficiencia del 34,4 %. Una innovación importante fue el uso del contacto directo entre celdas, eliminando las cintas de cobre recubiertas de soldadura tradicionales y el sombreado resultante de las áreas activas de las celdas. ^{[ 35 ]}

Esquema de la recolección de carga por células solares. La luz se transmite a través de un electrodo conductor transparente, creando pares electrón-hueco , que son recolectados por ambos electrodos. La eficiencia de absorción y recolección de una célula solar depende del diseño de los conductores transparentes y del espesor de la capa activa. ^{[ 36 ]}

Varios factores afectan la eficiencia de conversión, incluyendo su reflectancia , eficiencia termodinámica , eficiencia de separación de portadores de carga , eficiencia de recolección de portadores de carga y valores de eficiencia de conducción . ^{[ 37 ]}^{[ 36 ]} Debido a que estos parámetros son difíciles de medir directamente, se miden otros parámetros en su lugar, incluyendo eficiencia cuántica , relación de voltaje de circuito abierto (V _OC ) y § factor de llenado . Las pérdidas de reflectancia se tienen en cuenta mediante el valor de eficiencia cuántica, ya que afectan la eficiencia cuántica externa. Las pérdidas de recombinación se tienen en cuenta mediante estos factores. Las pérdidas resistivas se tienen en cuenta predominantemente mediante el valor del factor de llenado, pero también contribuyen a los demás.

Según su construcción, los módulos fotovoltaicos pueden producir electricidad a partir de un rango de frecuencias de luz , pero generalmente no pueden cubrir todo el rango de radiación solar (específicamente, ultravioleta , visible , infrarroja y luz tenue o difusa). Por lo tanto, gran parte de la energía de la luz solar incidente no es procesada por los módulos solares. Teóricamente, la luz solar podría dividirse en bandas de longitud de onda (cada una de un color diferente), y cada una dirigirse a células sintonizadas a esos rangos que convertirían esa banda de manera más eficiente. ^{[ 38 ]}

Rendimiento y degradación

El rendimiento del módulo generalmente se evalúa bajo condiciones de prueba estándar (STC): irradiancia de 1000 W/m² ^, espectro solar AM 1.5 y temperatura del módulo a 25 °C. ^{[ 39 ]} La tensión y la corriente de salida reales del módulo cambian según las condiciones de iluminación, temperatura y carga, por lo que nunca hay una tensión específica a la que el módulo opere. El rendimiento varía según la ubicación geográfica, la hora del día, el día del año, la cantidad de irradiancia solar , la dirección e inclinación de los módulos, la nubosidad, el sombreado, la suciedad , el estado de carga y la temperatura. El rendimiento de un módulo o panel se puede medir a diferentes intervalos de tiempo con un amperímetro de pinza de CC o un derivador y registrar, graficar o representar gráficamente con un registrador gráfico o un registrador de datos.

Para un rendimiento óptimo, un panel solar debe estar compuesto por módulos similares orientados en la misma dirección, perpendiculares a la luz solar directa. Se utilizan diodos de derivación para sortear los paneles dañados o sombreados y optimizar la producción. Estos diodos de derivación suelen colocarse a lo largo de grupos de células solares para crear un flujo continuo. ^{[ 40 ]}

Las características eléctricas incluyen la potencia nominal (P _MAX , medida en W ), la tensión en circuito abierto (V _OC ), la corriente de cortocircuito (I _SC , medida en amperios ), la tensión de máxima potencia (V _MPP ), la corriente de máxima potencia (I _MPP ), la potencia pico ( vatio-pico , W _p ) y la eficiencia del módulo (%).

La tensión en circuito abierto o V _OC es la tensión máxima que puede producir el módulo cuando no está conectado a un circuito o sistema eléctrico. ^{[ 41 ]} V _OC se puede medir con un voltímetro directamente en los terminales iluminados del módulo o en su cable desconectado.

La potencia máxima, Wp _, es la salida máxima en condiciones de prueba estándar (no la salida máxima posible). Los módulos típicos, que pueden medir aproximadamente 1 por 2 metros (3 pies × 7 pies) , tendrán una potencia nominal de entre 75 W y 600 W, dependiendo de su eficiencia. En el momento de la prueba, los módulos se clasifican según sus resultados, y un fabricante típico podría clasificar sus módulos en incrementos de 5 W, con tolerancias de +/- 3 %, +/- 5 %, +3 %/- 0 % o +5 %/- 0 %. ^[⁴²^]^[⁴³^]^[⁴⁴^]

Influencia de la temperatura

El rendimiento de un módulo fotovoltaico (FV) depende de las condiciones ambientales, principalmente de la irradiancia incidente global G en el plano del módulo. Sin embargo, la temperatura T de la unión p-n también influye en los principales parámetros eléctricos: la corriente de cortocircuito ISC, la tensión de circuito abierto VOC y la potencia máxima Pmax. En general, se sabe que VOC muestra una correlación inversa significativa con T, mientras que para ISC esta correlación es directa, pero más débil, de modo que este aumento no compensa la disminución de VOC. Como consecuencia, Pmax disminuye cuando T aumenta. Esta correlación entre la potencia de salida de una celda solar y la temperatura de trabajo de su unión depende del material semiconductor y se debe a la influencia de T en la concentración, la vida útil y la movilidad de los portadores intrínsecos, es decir, electrones y vacantes, dentro de la celda fotovoltaica.

La sensibilidad a la temperatura se suele describir mediante coeficientes de temperatura, cada uno de los cuales expresa la derivada del parámetro al que se refiere con respecto a la temperatura de la unión. Los valores de estos parámetros, que se pueden encontrar en cualquier hoja de datos del módulo fotovoltaico, son los siguientes:

β: coeficiente de variación de COV con respecto a T, dado por ∂COV/∂T.
α: Coeficiente de variación de ISC con respecto a T, dado por ∂ISC/∂T.
δ: Coeficiente de variación de Pmax con respecto a T, dado por ∂Pmax/∂T.

En la literatura se pueden encontrar técnicas para estimar estos coeficientes a partir de datos experimentales. ^{[ 45 ]}

Degradación

La capacidad de los módulos solares para resistir daños por lluvia, granizo , fuertes nevadas y ciclos de calor y frío varía según el fabricante, aunque la mayoría de los paneles solares en el mercado estadounidense cuentan con la certificación UL, lo que significa que han pasado pruebas para resistir el granizo. ^{[ 46 ]}

La degradación inducida por potencial (también llamada PID) es una degradación del rendimiento inducida por potencial en módulos fotovoltaicos cristalinos, causada por las llamadas corrientes parásitas. ^{[ 47 ]} Este efecto puede causar una pérdida de potencia de hasta el 30%. ^{[ 48 ]}

El mayor desafío para la tecnología fotovoltaica es el precio de compra por vatio de electricidad producido. Los avances en las tecnologías fotovoltaicas han propiciado el proceso de "dopaje" del sustrato de silicio para reducir la energía de activación, lo que hace que el panel sea más eficiente en la conversión de fotones en electrones recuperables. ^{[ 49 ]}

Se incorporan sustancias químicas como el boro (tipo p) al cristal semiconductor para crear niveles de energía donadores y aceptores sustancialmente más cercanos a las bandas de valencia y de conducción. ^{[ 50 ]} De este modo, la adición de impurezas de boro permite que la energía de activación disminuya veinte veces, de 1,12 eV a 0,05 eV. Dado que la diferencia de potencial (E _B ) es tan baja, el boro puede ionizarse térmicamente a temperatura ambiente. Esto permite la presencia de portadores de energía libres en las bandas de conducción y de valencia, lo que posibilita una mayor conversión de fotones en electrones.

La potencia de salida de un dispositivo fotovoltaico (FV) disminuye con el tiempo. Esta disminución se debe a su exposición a la radiación solar y a otras condiciones externas. El índice de degradación, definido como el porcentaje anual de pérdida de potencia de salida, es un factor clave para determinar la producción a largo plazo de una planta fotovoltaica. Para estimar esta degradación, se calcula el porcentaje de disminución asociado a cada uno de los parámetros eléctricos. La degradación individual de un módulo fotovoltaico puede influir significativamente en el rendimiento de toda la cadena. Además, no todos los módulos de una misma instalación disminuyen su rendimiento al mismo ritmo. Dado un conjunto de módulos expuestos a condiciones exteriores a largo plazo, debe considerarse la degradación individual de los principales parámetros eléctricos y el aumento de su dispersión. Como cada módulo tiende a degradarse de forma diferente, su comportamiento variará progresivamente con el tiempo, afectando negativamente al rendimiento general de la planta.

En la literatura existen varios estudios que analizan la degradación de potencia de módulos basados en diferentes tecnologías fotovoltaicas. Según un estudio reciente, ^{[ 51 ]} la degradación de los módulos de silicio cristalino es muy regular, oscilando entre el 0,8 % y el 1,0 % anual.

Por otro lado, si analizamos el rendimiento de los módulos fotovoltaicos de película delgada, se observa un período inicial de fuerte degradación (que puede durar varios meses y hasta dos años), seguido de una etapa posterior en la que la degradación se estabiliza, siendo entonces comparable a la del silicio cristalino. ^{[ 52 ]} También se observan fuertes variaciones estacionales en estas tecnologías de película delgada porque la influencia del espectro solar es mucho mayor. Por ejemplo, para módulos de silicio amorfo, silicio micromórfico o telururo de cadmio, hablamos de tasas de degradación anuales durante los primeros años de entre el 3% y el 4%. ^{[ 53 ]} Sin embargo, otras tecnologías, como CIGS, muestran tasas de degradación mucho más bajas, incluso en esos primeros años.

Fabricación de sistemas fotovoltaicos

En general, el proceso de fabricación de paneles solares fotovoltaicos es sencillo, ya que no requiere la integración de muchas piezas complejas o móviles. Debido a la naturaleza de estado sólido de los sistemas fotovoltaicos, suelen tener una vida útil relativamente larga, de entre 10 y 30 años. Para aumentar la producción eléctrica de un sistema fotovoltaico, el fabricante simplemente debe añadir más componentes fotovoltaicos. Por ello, las economías de escala son importantes para los fabricantes, ya que los costes disminuyen al aumentar la producción. ^{[ 54 ]}

Aunque existen muchos tipos de sistemas fotovoltaicos (FV) conocidos por su eficacia, los sistemas FV de silicio cristalino representaron alrededor del 90 % de la producción mundial de FV en 2013. La fabricación de sistemas FV de silicio consta de varias etapas. Primero, el polisilicio se procesa a partir de cuarzo extraído hasta alcanzar una alta pureza (grado semiconductor). Este se funde con pequeñas cantidades de boro , un elemento del grupo III, para crear un semiconductor de tipo p rico en huecos de electrones. Generalmente, utilizando un cristal semilla, se cultiva un lingote de esta solución a partir del policristal líquido. El lingote también puede moldearse. Las obleas de este material semiconductor se cortan del material a granel con sierras de hilo y luego se someten a un grabado superficial antes de ser limpiadas. A continuación, las obleas se colocan en un horno de deposición de vapor de fósforo que deposita una capa muy fina de fósforo, un elemento del grupo V, creando una superficie semiconductora de tipo n. Para reducir las pérdidas de energía, se añade un recubrimiento antirreflectante a la superficie, junto con los contactos eléctricos. Una vez terminada la celda, las celdas se conectan mediante un circuito eléctrico según la aplicación específica y se preparan para su envío e instalación. ^{[ 55 ]}

Costes medioambientales de fabricación

La energía solar fotovoltaica no es del todo "energía limpia": la producción produce emisiones de gases de efecto invernadero, los materiales utilizados para construir las células son potencialmente insostenibles y se agotarán eventualmente, la tecnología utiliza sustancias tóxicas que causan contaminación, ^[⁵⁶^] y no existen tecnologías viables para reciclar los residuos solares. ^[⁵⁷^] Los datos necesarios para investigar su impacto a veces se ven afectados por una cantidad considerable de incertidumbre. Los valores de mano de obra humana y consumo de agua, por ejemplo, no se evalúan con precisión debido a la falta de análisis sistemáticos y precisos en la literatura científica. ^[¹^] Una dificultad para determinar los efectos debidos a la FV es determinar si los residuos se liberan al aire, al agua o al suelo durante la fase de fabricación. ^[⁵⁸^] Las evaluaciones del ciclo de vida , que consideran todos los diferentes efectos ambientales que van desde el potencial de calentamiento global , la contaminación, el agotamiento del agua y otros, no están disponibles para la FV. En cambio, los estudios han intentado estimar el impacto y el impacto potencial de varios tipos de energía fotovoltaica, pero estas estimaciones suelen limitarse a evaluar simplemente los costes energéticos de la fabricación y/o el transporte , porque se trata de tecnologías nuevas y se desconoce el impacto ambiental total de sus componentes y métodos de eliminación, incluso para las células solares de primera generación disponibles comercialmente , por no hablar de los prototipos experimentales sin viabilidad comercial. ^[⁵⁹^]

Así, las estimaciones del impacto ambiental de la energía fotovoltaica se han centrado en los equivalentes de dióxido de carbono por kWh o en el tiempo de recuperación energética (TPE). El TPE describe el tiempo que un sistema fotovoltaico necesita para funcionar y generar la misma cantidad de energía que se utilizó para su fabricación. ^[⁶⁰^] Otro estudio incluye los costos de energía de transporte en el TPE. ^[⁶¹^] El TPE también se ha definido de forma completamente diferente como "el tiempo necesario para compensar la energía primaria total renovable y no renovable requerida durante el ciclo de vida de un sistema fotovoltaico" en otro estudio, que también incluyó los costos de instalación. ^[⁶²^] Esta amortización energética, expresada en años, también se conoce como tiempo de recuperación energética de equilibrio . ^[⁶³^] Cuanto menor sea el TPE, menor será el costo ambiental de la energía solar . El TPE depende en gran medida de la ubicación donde se instala el sistema fotovoltaico (por ejemplo, la cantidad de luz solar disponible y la eficiencia de la red eléctrica) ^[⁶¹^] y del tipo de sistema, es decir, de sus componentes. ^[⁶⁰^]

Una revisión de 2015 de las estimaciones de EPBT de la primera y segunda generación de sistemas fotovoltaicos sugirió que había mayor variación en la energía incorporada que en la eficiencia de las celdas, lo que implicaba que era principalmente la energía incorporada la que se necesita reducir para tener una mayor reducción en el EPBT. ^{[ 64 ]}

En general, el componente más importante de los paneles solares, que representa gran parte del consumo energético y las emisiones de gases de efecto invernadero, es el refinado del polisilicio. ^{[ 60 ]} El porcentaje del EPBT que representa este silicio depende del tipo de sistema. Un sistema totalmente autónomo requiere componentes adicionales («Balance of System», inversores de potencia , almacenamiento, etc.) que aumentan significativamente el coste energético de fabricación, pero en un sistema sencillo para tejados, alrededor del 90 % del coste energético proviene del silicio, y el resto de los inversores y el marco del módulo. ^{[ 60 ]}

El EPBT guarda estrecha relación con los conceptos de ganancia neta de energía (GNE) y retorno energético sobre la energía invertida (EROI). Ambos se utilizan en la economía energética y se refieren a la diferencia entre la energía consumida para obtener una fuente de energía y la cantidad de energía obtenida de dicha obtención. La GNE y el EROI también tienen en cuenta la vida útil de un sistema fotovoltaico, generalmente estimada entre 25 y 30 años. A partir de estas métricas, se puede calcular el tiempo de recuperación energética . ^{[ 65 ]}^{[ 66 ]}

Mejoras en EPBT

Los sistemas fotovoltaicos que utilizan silicio cristalino, que constituyen la gran mayoría de los sistemas en uso práctico, tienen un EPBT tan alto porque el silicio se produce mediante la reducción de arena de cuarzo de alta calidad en hornos eléctricos . Este proceso de fundición con coque se lleva a cabo a altas temperaturas de más de 1000 °C y es muy intensivo en energía, utilizando aproximadamente 11 kilovatios-hora (kWh) por kilogramo de silicio producido. ^{[ 67 ]} Los requisitos energéticos de este proceso hacen que el costo energético por unidad de silicio producido sea relativamente inelástico, lo que significa que el proceso de producción en sí no se volverá más eficiente en el futuro.

No obstante, el tiempo de recuperación energética se ha acortado significativamente en los últimos años, ya que las células de silicio cristalino se volvieron cada vez más eficientes en la conversión de la luz solar, mientras que el grosor del material de la oblea se redujo constantemente y, por lo tanto, se requirió menos silicio para su fabricación. En los últimos diez años, la cantidad de silicio utilizada para las células solares disminuyó de 16 a 6 gramos por vatio pico . En el mismo período, el grosor de una oblea de c-Si se redujo de 300 μm, o micras , a aproximadamente 160–190 μm. Las técnicas de corte que dividen los lingotes de silicio cristalino en obleas también han mejorado al reducir la pérdida de corte y facilitar el reciclaje del serrín de silicio. ^{[ 68 ]}^{[ 69 ]}

Efectos de la primera generación de energía fotovoltaica

Los módulos de silicio cristalino son el tipo de fotovoltaico más estudiado en términos de ACV, ya que son los más utilizados. Los sistemas fotovoltaicos de silicio monocristalino (mono-si) tienen una eficiencia media del 14,0 %. ^{[ 71 ]} Las células suelen seguir una estructura de electrodo frontal, película antirreflectante, capa n, capa p y electrodo posterior, con el sol incidiendo sobre el electrodo frontal. El EPBT varía de 1,7 a 2,7 años. ^{[ 72 ]}_{Las emisiones de CO₂} -eq/kWh desde la cuna hasta la puerta varían de 37,3 a 72,2 gramos cuando se instalan en el sur de Europa. ^{[ 73 ]}

Las técnicas para producir células fotovoltaicas de silicio multicristalino (multi-si) son más simples y económicas que las de silicio monocristalino, sin embargo, tienden a producir células menos eficientes, con un promedio del 13,2 %. ^{[ 71 ]} El EPBT varía de 1,5 a 2,6 años. ^{[ 72 ]} Las emisiones de CO₂-eq/kWh desde la cuna hasta la puerta _varían de 28,5 a 69 gramos cuando se instalan en el sur de Europa. ^{[ 73 ]}

Suponiendo que los siguientes países contaran con una infraestructura de red de alta calidad como la de Europa, en 2020 se calculó que en Ottawa , Canadá, un sistema fotovoltaico en azotea tardaría 1,28 años en producir la misma cantidad de energía necesaria para fabricar el silicio de sus módulos (excluyendo la plata, el vidrio, los soportes y otros componentes); en Catania , Italia , 0,97 años; y en Jaipur , India, 0,4 años . Fuera de Europa, donde la eficiencia neta de la red es menor, el proceso sería más largo. Este « tiempo de recuperación energética » se define como el período de la vida útil del módulo durante el cual la producción de energía es contaminante. En el mejor de los casos, esto significa que un panel de 30 años ha producido energía limpia durante el 97 % de su vida útil, o que el silicio de los módulos de un panel solar produce un 97 % menos de emisiones de gases de efecto invernadero que una central eléctrica de carbón para la misma cantidad de energía (considerando e ignorando muchos factores). ^{[ 61 ]} Algunos estudios han ido más allá del EPBT y el GWP para analizar otros efectos ambientales. En uno de estos estudios, se comparó la combinación energética convencional en Grecia con la fotovoltaica multi-si y se encontró una reducción general del 95 % en los efectos, incluidos los carcinógenos, la ecotoxicidad, la acidificación, la eutrofización y otros once. ^{[ 74 ]}

Impacto de la segunda generación de energía fotovoltaica

El telururo de cadmio (CdTe) es una de las células solares de película delgada de más rápido crecimiento, conocidas colectivamente como dispositivos de segunda generación. Este nuevo dispositivo de película delgada también comparte restricciones de rendimiento similares ( límite de eficiencia de Shockley-Queisser ) a los dispositivos de Si convencionales, pero promete reducir el costo de cada dispositivo al disminuir el consumo de material y energía durante la fabricación. La cuota de mercado global de CdTe fue del 4,7 % en 2008. ^{[ 58 ]} La eficiencia de conversión de potencia más alta de esta tecnología es del 21 %. ^{[ 75 ]} La estructura de la célula incluye un sustrato de vidrio (alrededor de 2 mm), una capa conductora transparente, una capa amortiguadora de CdS (50–150 nm), un absorbedor de CdTe y una capa de contacto metálico.

Los sistemas fotovoltaicos de CdTe requieren menos energía para su producción que otros sistemas fotovoltaicos comerciales por unidad de electricidad producida. El promedio de CO₂ _- eq/kWh es de alrededor de 18 gramos (desde la extracción de la materia prima hasta la puerta de la planta). El CdTe tiene el EPBT (tiempo de vida útil efectivo) más rápido de todas las tecnologías fotovoltaicas comerciales, que varía entre 0,3 y 1,2 años. ^{[ 76 ]}

Efectos de la tercera generación de energía fotovoltaica

Las células fotovoltaicas de tercera generación están diseñadas para combinar las ventajas de los dispositivos de primera y segunda generación y no presentan el límite de Shockley-Queisser , un límite teórico para las células fotovoltaicas de primera y segunda generación. El grosor de un dispositivo de tercera generación es inferior a 1 μm. ^{[ 77 ]}

Dos nuevas tecnologías de película delgada prometedoras son el sulfuro ^de cobre, zinc y estaño ( _{Cu₂ZnSnS₄} o _CZTS ), ^[⁵⁹^] el fosfuro de zinc (Zn₃P₂ ₎ [ ⁵⁹_]^y los nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT). ^[⁷⁸^] Estas películas delgadas actualmente solo se producen en el laboratorio , pero podrían comercializarse en el futuro. Se espera que los procesos de fabricación de CZTS y (Zn₃P₂ ₎_sean similares a los de las tecnologías de película delgada actuales de CIGS y CdTe, respectivamente. Mientras que se espera que la capa absorbente de SWCNT PV se sintetice con el método CoMoCAT. ^[⁷⁹^] Por el contrario de las películas delgadas establecidas como CIGS y CdTe, las CZTS, Zn₃P₂ y _{SWCNT PV están hechas de materiales abundantes en la Tierra, no}_tóxicos y tienen el potencial de producir más electricidad anualmente que el consumo mundial actual. ^[⁸⁰^]^[⁸¹^] Si bien el CZTS y el Zn ₃ P ₂ ofrecen buenas perspectivas por estas razones, aún no se conocen las implicaciones ambientales específicas de su producción comercial. El potencial de calentamiento global del CZTS y el Zn ₃ P ₂ se encontró en 38 y 30 gramos de CO ₂ -eq/kWh, mientras que su EPBT correspondiente se encontró en 1,85 y 0,78 años, respectivamente. ^[⁵⁹^] En general, el CdTe y el Zn ₃ P ₂ tienen efectos ambientales similares, pero pueden superar ligeramente al CIGS y al CZTS. ^[⁵⁹^] Un estudio sobre los impactos ambientales de los SWCNT PV realizado por Celik et al., que incluye un dispositivo existente con una eficiencia del 1 % y un dispositivo teórico con una eficiencia del 28 %, encontró que, en comparación con el Si monocristalino, los impactos ambientales del 1 % de SWCNT eran ~18 veces mayores debido principalmente a la corta vida útil de tres años. ^[⁷⁸^]

Ciencias económicas

A lo largo de los años, se han producido cambios importantes en los costes subyacentes, la estructura de la industria y los precios de mercado de la tecnología fotovoltaica, y obtener una visión coherente de las transformaciones que se producen en la cadena de valor de la industria a nivel mundial supone un reto. Esto se debe a: «la rapidez de los cambios de costes y precios, la complejidad de la cadena de suministro fotovoltaica, que implica un gran número de procesos de fabricación, los costes de los componentes del sistema (BOS) y de instalación asociados a los sistemas fotovoltaicos completos, la elección de diferentes canales de distribución y las diferencias entre los mercados regionales en los que se implementa la energía fotovoltaica». Además, la complejidad surge de las numerosas iniciativas de apoyo político que se han puesto en marcha para facilitar la comercialización de la energía fotovoltaica en diversos países. ^{[ 3 ]}

Las tecnologías de energía renovable generalmente se han abaratado desde su invención. ^{[ 83 ]}^{[ 84 ]}^{[ 85 ]} Los sistemas de energía renovable se han vuelto más baratos de construir que las centrales eléctricas de combustibles fósiles en gran parte del mundo, gracias a los avances en la tecnología de energía eólica y solar, en particular. ^{[ 86 ]}

Implicaciones para la gestión de la factura eléctrica y la inversión en energía.

No existe una solución mágica para la gestión de la demanda y la facturación de electricidad o energía, ya que los clientes (ubicaciones) tienen situaciones específicas diferentes, por ejemplo, diferentes necesidades de confort/conveniencia, diferentes tarifas eléctricas o diferentes patrones de uso. La tarifa eléctrica puede tener varios elementos, como el cargo diario por acceso y medición, el cargo por energía (basado en kWh, MWh) o el cargo por demanda máxima (por ejemplo, un precio para el mayor consumo de energía en 30 minutos durante un mes). La energía fotovoltaica es una opción prometedora para reducir los cargos de energía cuando los precios de la electricidad son razonablemente altos y aumentan continuamente, como en Australia y Alemania. Sin embargo, para las ubicaciones con cargo por demanda máxima, la energía fotovoltaica puede ser menos atractiva si la demanda máxima se produce principalmente al final de la tarde o al principio de la noche, por ejemplo, en comunidades residenciales. En general, la inversión en energía es principalmente una decisión económica y es mejor tomar decisiones de inversión basadas en una evaluación sistemática de las opciones de mejora operativa, eficiencia energética, generación in situ y almacenamiento de energía. ^{[ 87 ]}^{[ 88 ]}

Costos de hardware

En 1977, los precios de las células solares de silicio cristalino eran de 76,67 dólares/W. ^{[ 90 ]}

Aunque los precios mayoristas de los módulos se mantuvieron estables en torno a los 3,50 a 4,00 $/W a principios de la década de 2000 debido a la alta demanda en Alemania y España, impulsada por generosos subsidios y la escasez de polisilicio, la demanda se desplomó con la finalización abrupta de los subsidios españoles tras la crisis del mercado de 2008, y el precio cayó rápidamente a 2,00 $/W. Los fabricantes lograron mantener un margen operativo positivo a pesar de una caída del 50 % en los ingresos gracias a la innovación y la reducción de costes. A finales de 2011, los precios de fábrica de los módulos fotovoltaicos de silicio cristalino cayeron repentinamente por debajo de 1,00 $/W, lo que sorprendió a muchos en el sector y provocó la quiebra de varias empresas fabricantes de energía solar en todo el mundo. El precio de 1,00 $/W se suele considerar en el sector fotovoltaico como el hito de la paridad de red , pero la mayoría de los expertos no creen que este precio sea sostenible. Los avances tecnológicos, las mejoras en los procesos de fabricación y la reestructuración del sector podrían permitir nuevas reducciones de precios. ^{[ 3 ]} El precio minorista promedio de las células solares monitoreado por el grupo Solarbuzz cayó de $3.50/vatio a $2.43/vatio a lo largo de 2011. ^{[ 91 ]} En 2013, los precios mayoristas habían caído a $0.74/W. ^{[ 90 ]} Esto se ha citado como evidencia que respalda la ' ley de Swanson ', una observación similar a la famosa Ley de Moore , que afirma que los precios de las células solares caen un 20% por cada duplicación de la capacidad de la industria. ^{[ 90 ]} El Instituto Fraunhofer define la 'tasa de aprendizaje' como la caída de los precios a medida que se duplica la producción acumulada, alrededor del 25% entre 1980 y 2010. Aunque los precios de los módulos han caído rápidamente, los precios actuales de los inversores han caído a un ritmo mucho menor, y en 2019 constituyen más del 61% del costo por kWp, desde un cuarto a principios de la década de 2000. ^{[ 61 ]}

Cabe señalar que los precios mencionados anteriormente corresponden a módulos sin componentes; otra forma de analizar los precios de los módulos es incluyendo los costos de instalación. En Estados Unidos, según la Asociación de Industrias de Energía Solar, el precio de los módulos fotovoltaicos instalados en tejados para propietarios de viviendas descendió de 9,00 $/W en 2006 a 5,46 $/W en 2011. Incluyendo los precios pagados por las instalaciones industriales, el precio nacional de instalación baja a 3,45 $/W. Este precio es notablemente superior al de otros países; en Alemania, las instalaciones en tejados para propietarios de viviendas promediaron 2,24 $/W. Se cree que las diferencias de costos se deben principalmente a la mayor carga regulatoria y a la falta de una política solar nacional en Estados Unidos. ^{[ 92 ]}

A finales de 2012, los fabricantes chinos tenían costos de producción de $0.50/W en los módulos más baratos. ^{[ 93 ]} En algunos mercados, los distribuidores de estos módulos pueden obtener un margen considerable, comprando al precio de fábrica y vendiendo al precio más alto que el mercado puede soportar ('precio basado en el valor'). ^{[ 3 ]} En California, la energía fotovoltaica alcanzó la paridad de red en 2011, que generalmente se define como costos de producción fotovoltaica iguales o inferiores a los precios minoristas de la electricidad (aunque a menudo todavía por encima de los precios de las centrales eléctricas para la generación a partir de carbón o gas sin sus costos de distribución y otros). ^{[ 94 ]} La paridad de red se había alcanzado en 19 mercados en 2014. ^{[ 95 ]}^{[ 96 ]}

Para 2024, el aumento masivo de la producción de paneles solares en China había provocado que los precios de los módulos cayeran hasta un mínimo de 0,11 $/W, una reducción de más del 90 por ciento con respecto a los precios de 2011. ^{[ 97 ]}

Coste nivelado de la electricidad

AWM Munich - Cojines de ETFE para sistemas fotovoltaicos

El costo nivelado de electricidad (LCOE) es el costo por kWh basado en los costos distribuidos a lo largo de la vida útil del proyecto, y se considera una mejor métrica para calcular la viabilidad que el precio por vatio. Los LCOE varían drásticamente según la ubicación. ^{[ 3 ]} El LCOE puede considerarse el precio mínimo que los clientes tendrán que pagar a la compañía eléctrica para que esta alcance el punto de equilibrio en la inversión en una nueva central eléctrica. ^{[ 5 ]} La paridad de red se logra aproximadamente cuando el LCOE cae a un precio similar a los precios de la red local convencional, aunque en realidad los cálculos no son directamente comparables. ^{[ 98 ]} Las grandes instalaciones fotovoltaicas industriales habían alcanzado la paridad de red en California en 2011. ^{[ 85 ]}^{[ 98 ]} Se creía que la paridad de red para los sistemas de techo todavía estaba mucho más lejos en ese momento. ^{[ 98 ]} Se cree que muchos cálculos de LCOE no son precisos y requieren una gran cantidad de suposiciones. ^{[ 3 ]}^{[ 98 ]} Los precios de los módulos podrían bajar aún más, y el LCOE para la energía solar podría bajar correspondientemente en el futuro. ^{[ 99 ]}

Debido a que la demanda de energía fluctúa a lo largo del día, y la energía solar está limitada por la puesta del sol, las empresas de energía solar también deben considerar los costos adicionales de suministrar fuentes de energía alternativas más estables a la red para estabilizar el sistema, o almacenar la energía. Estos costos no se incluyen en los cálculos del LCOE, ni tampoco los subsidios o primas especiales que podrían hacer más atractiva la compra de energía solar. ^{[ 5 ]} La falta de fiabilidad y la variación temporal en la generación de energía solar y eólica constituyen un problema importante. Un exceso de estas fuentes de energía volátiles puede provocar inestabilidad en toda la red. ^{[ 100 ]}

En 2017, los precios de los contratos de compra de energía para parques solares inferiores a 0,05 $/kWh eran comunes en Estados Unidos, y las ofertas más bajas en algunos países del Golfo Pérsico rondaban los 0,03 $/kWh. ^{[ 101 ]} El objetivo del Departamento de Energía de Estados Unidos es lograr un coste nivelado de la energía solar fotovoltaica de 0,03 $/kWh para las compañías eléctricas. ^{[ 102 ]}

Subvenciones y financiación

Los incentivos financieros para la energía fotovoltaica , como las tarifas de alimentación (FIT), se ofrecían a menudo a los consumidores de electricidad para instalar y operar sistemas de generación de energía solar, y en algunos países, estos subsidios son la única forma en que la energía fotovoltaica puede seguir siendo económicamente rentable. ^{[ 103 ]} Las FIT para energía fotovoltaica fueron cruciales para el crecimiento inicial de la energía fotovoltaica. Alemania y España fueron los países más importantes que ofrecieron subsidios para la energía fotovoltaica, y las políticas de estos países impulsaron la demanda. ^[³^]

Algunas empresas estadounidenses fabricantes de células solares se han quejado repetidamente de que la bajada de precios de los módulos fotovoltaicos se debe a las subvenciones del gobierno chino y al dumping de estos productos por debajo de los precios justos de mercado. Los fabricantes estadounidenses suelen recomendar aranceles elevados a los suministros extranjeros para mantener su rentabilidad. En respuesta a estas preocupaciones, la administración Obama comenzó a imponer aranceles a los consumidores estadounidenses de estos productos en 2012 para aumentar los precios para los fabricantes nacionales. ^{[ 3 ]} Sin embargo, Estados Unidos también subvenciona a la industria. ^{[ 92 ]}

Algunos ambientalistas han promovido la idea de que se deberían utilizar incentivos gubernamentales para expandir la industria de fabricación de paneles fotovoltaicos y reducir así los costos de la electricidad generada por estos sistemas con mayor rapidez, hasta un nivel que le permita competir con los combustibles fósiles en un mercado libre. Esto se basa en la teoría de que, al duplicarse la capacidad de fabricación, las economías de escala harán que los precios de los productos solares se reduzcan a la mitad. ^[⁵^]

En muchos países, el acceso al capital es limitado para desarrollar proyectos fotovoltaicos. ^{[ 104 ]} Para solucionar este problema, a veces se recurre a la titulización para acelerar el desarrollo de proyectos solares fotovoltaicos. ^{[ 94 ]}^{[ 105 ]}^{[ 106 ]}

Otro

La energía fotovoltaica también se genera durante un momento del día cercano a la demanda máxima (la precede) en sistemas eléctricos con alto uso de aire acondicionado. Dado que la operación fotovoltaica a gran escala requiere respaldo en forma de reservas rotatorias, su costo marginal de generación al mediodía suele ser el más bajo, pero no cero, cuando la energía fotovoltaica está generando electricidad. Esto se puede ver en la Figura 1 de este documento: ^{[ 107 ]} Para propiedades residenciales con instalaciones fotovoltaicas privadas conectadas a la red, el propietario puede obtener ingresos adicionales al incluir el tiempo de generación, ya que la electricidad vale más durante el día que por la noche. ^{[ 108 ]}

Un periodista planteó la hipótesis en 2012 de que si las facturas de energía de los estadounidenses se vieran obligadas a subir mediante la imposición de un impuesto adicional de 50 dólares por tonelada sobre las emisiones de dióxido de carbono procedentes de centrales eléctricas de carbón, esto podría haber permitido que la energía solar fotovoltaica pareciera más competitiva en costes para los consumidores en la mayoría de los lugares. ^{[ 91 ]}

Crecimiento

La energía solar y eólica se está expandiendo más rápidamente que las fuentes de electricidad anteriores. La disminución de los costos, el diseño modular y la mejora del almacenamiento en baterías facilitan la transición a las energías renovables, especialmente la solar. ^{[ 109 ]}

Aceleración del crecimiento de la generación de energía solar (en TWh)

La energía solar fotovoltaica constituyó el mayor cuerpo de investigación entre los siete tipos de energía sostenible examinados en un estudio bibliométrico global, con una producción científica anual que creció de 9.094 publicaciones en 2011 a 14.447 publicaciones en 2019. ^{[ 110 ]} Asimismo, la aplicación de la energía solar fotovoltaica está creciendo rápidamente y la capacidad instalada mundial alcanzó un teravatio en abril de 2022. ^{[ 111 ]} La producción total de energía de la capacidad fotovoltaica mundial en un año calendario ahora supera los 500 TWh de electricidad. Esto representa el 2% de la demanda mundial de electricidad. Más de 100 países , como Brasil e India , utilizan energía solar fotovoltaica. ^{[ 112 ]}^{[ 113 ]} A China le siguen Estados Unidos y Japón , mientras que las instalaciones en Alemania , que alguna vez fue el mayor productor mundial, se han ralentizado.

Honduras generó el mayor porcentaje de su energía a partir de energía solar en 2019, 14,8%. ^{[ 114 ]} A partir de 2019, Vietnam tiene la mayor capacidad instalada en el sudeste asiático, alrededor de 4,5 GW. ^{[ 115 ]} La tasa de instalación anualizada de alrededor de 90 W per cápita por año coloca a Vietnam entre los líderes mundiales. ^{[ 115 ]} Las generosas tarifas de alimentación (FIT) y las políticas de apoyo gubernamentales, como las exenciones fiscales, fueron clave para permitir el auge de la energía solar fotovoltaica en Vietnam. Los impulsores subyacentes incluyen el deseo del gobierno de mejorar la autosuficiencia energética y la demanda pública de calidad ambiental local. ^{[ 115 ]}

Una barrera clave es la capacidad limitada de la red de transmisión. ^{[ 115 ]}

China posee la mayor capacidad de energía solar del mundo, con 1048 GW de capacidad instalada en 2024, en comparación con los aproximadamente 339 GW de la Unión Europea, según datos de la Agencia Internacional de Energía. ^{[ 116 ]} Otros países con la mayor capacidad de energía solar del mundo son Estados Unidos, Japón y Alemania.

En 2017, se consideró probable que para 2030 la capacidad instalada global de energía fotovoltaica podría estar entre 3.000 y 10.000 GW. ^{[ 101 ]} Greenpeace afirmó en 2010 que 1.845 GW de sistemas fotovoltaicos en todo el mundo podrían generar aproximadamente 2.646 TWh/año de electricidad para 2030, y que para 2050 más del 20% de toda la electricidad podría ser suministrada por energía fotovoltaica. ^{[ 118 ]}

Aplicaciones

Existen numerosas aplicaciones prácticas para el uso de paneles solares o sistemas fotovoltaicos que abarcan prácticamente todos los ámbitos tecnológicos. Desde la agricultura, como fuente de energía para el riego, hasta su uso en centros de salud remotos para la refrigeración de suministros médicos. Otras aplicaciones incluyen la generación de energía a diversas escalas y su integración en hogares e infraestructuras públicas. Los módulos fotovoltaicos se utilizan en sistemas fotovoltaicos e incluyen una amplia variedad de dispositivos eléctricos.

Sistemas fotovoltaicos

Un sistema fotovoltaico, o sistema solar FV, es un sistema de energía diseñado para suministrar energía solar utilizable mediante la tecnología fotovoltaica. Consta de varios componentes, entre ellos paneles solares que absorben y convierten directamente la luz solar en electricidad, un inversor solar que transforma la corriente eléctrica de CC a CA, así como la estructura de montaje, el cableado y otros accesorios eléctricos. Los sistemas FV varían desde pequeños sistemas instalados en tejados o integrados en edificios, con capacidades de entre unos pocos y varias decenas de kilovatios , hasta grandes centrales eléctricas a escala industrial de cientos de megavatios . Actualmente, la mayoría de los sistemas FV están conectados a la red eléctrica , mientras que los sistemas autónomos representan solo una pequeña parte del mercado.

sensores de fotos

Los fotosensores son sensores de luz u otra radiación electromagnética . ^{[ 119 ]} Un fotodetector tiene una unión p-n que convierte los fotones de luz en corriente. Los fotones absorbidos forman pares electrón-hueco en la región de agotamiento . Los fotodiodos y los fototransistores son algunos ejemplos de fotodetectores. Las células solares convierten parte de la energía luminosa absorbida en energía eléctrica.

Tecnología experimental

Las células fotovoltaicas de silicio cristalino son solo un tipo de célula fotovoltaica, y si bien representan la mayoría de las células solares producidas actualmente, existen muchas tecnologías nuevas y prometedoras que tienen el potencial de ampliarse para satisfacer las futuras necesidades energéticas. A partir de 2018, la tecnología de células de silicio cristalino sirve de base para varios tipos de módulos fotovoltaicos, incluidos los monocristalinos, multicristalinos, mono PERC y bifaciales. ^{[ 120 ]}

Otra tecnología más reciente, la fotovoltaica de película delgada, se fabrica depositando capas semiconductoras de perovskita , un mineral con propiedades semiconductoras, sobre un sustrato en vacío. El sustrato suele ser de vidrio o acero inoxidable, y estas capas semiconductoras están hechas de muchos tipos de materiales, incluidos el telururo de cadmio (CdTe), el diselenuro de cobre e indio (CIS), el diselenuro de cobre, indio y galio (CIGS) y el silicio amorfo (a-Si). Después de ser depositadas sobre el sustrato, las capas semiconductoras se separan y se conectan mediante un circuito eléctrico mediante grabado láser. ^{[ 121 ]}^{[ 122 ]} Las células solares de perovskita son un convertidor de energía solar muy eficiente y tienen excelentes propiedades optoelectrónicas para aplicaciones fotovoltaicas, pero su escalado de células de tamaño de laboratorio a módulos de gran superficie todavía está en investigación. ^{[ 123 ]} Los materiales fotovoltaicos de película delgada posiblemente se vuelvan atractivos en el futuro, debido a los requisitos de materiales reducidos y el costo de fabricación de módulos que consisten en películas delgadas en comparación con las obleas basadas en silicio. ^{[ 124 ]} En 2019, laboratorios universitarios de Oxford, Stanford y otros lugares informaron sobre células solares de perovskita con eficiencias del 20-25%. ^{[ 125 ]}

CIGS

El seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) es una célula solar de película delgada basada en la familia de semiconductores de calcopirita de diselenuro de cobre e indio (CIS) . CIS y CIGS se utilizan a menudo indistintamente dentro de la comunidad CIS/CIGS. La estructura de la célula incluye vidrio de cal sodada como sustrato, una capa de Mo como contacto posterior, CIS/CIGS como capa absorbente, sulfuro de cadmio (CdS) o Zn(S,OH)x como capa amortiguadora y ZnO:Al como contacto frontal. ^{[ 126 ]} El CIGS tiene aproximadamente 1/100 del espesor de las tecnologías de células solares de silicio convencionales. Los materiales necesarios para el ensamblaje están fácilmente disponibles y son menos costosos por vatio de célula solar. Los dispositivos solares basados en CIGS resisten la degradación del rendimiento con el tiempo y son altamente estables en el campo.

Los impactos potenciales de calentamiento global reportados de CIGS varían entre 20,5 y 58,8 gramos de CO₂ _- eq/kWh de electricidad generada para diferentes irradiaciones solares (1700 a 2200 kWh/m² ^/ año) y eficiencia de conversión de potencia (7,8-9,12%). ^{[ 127 ]} EPBT varía de 0,2 a 1,4 años, ^{[ 76 ]} mientras que el valor armonizado de EPBT se encontró en 1,393 años. ^{[ 64 ]} La toxicidad es un problema dentro de la capa amortiguadora de los módulos CIGS porque contiene cadmio y galio. ^{[ 59 ]}^{[ 128 ]} Los módulos CIS no contienen metales pesados.

células solares de perovskita

Una célula solar de perovskita (PSC) es un tipo de célula solar que incluye un compuesto con estructura de perovskita , generalmente un material híbrido orgánico-inorgánico a base de haluro de plomo o estaño como capa activa de captación de luz . ^{[ 129 ]}^{[ 130 ]} Los materiales de perovskita, como los haluros de plomo y metilamonio y el haluro de plomo y cesio totalmente inorgánico, son baratos de producir y sencillos de fabricar.

Las eficiencias de las células solares de dispositivos a escala de laboratorio que utilizan estos materiales han aumentado del 3,8 % en 2009 ^{[ 131 ]} al 27 % en 2025 en arquitecturas de unión simple, ^{[ 132 ]}^{[ 133 ]} y, en células tándem basadas en silicio, al 34,85 %, ^{[ 132 ]}^{[ 134 ]} superando la eficiencia máxima alcanzada en células solares de silicio de unión simple. Por lo tanto, las células solares de perovskita han sido la tecnología solar de más rápido avance desde 2016. ^{[ 129 ]} Con el potencial de alcanzar eficiencias aún mayores y costos de producción muy bajos, las células solares de perovskita se han vuelto comercialmente atractivas. Los problemas centrales y los temas de investigación incluyen su estabilidad a largo plazo, ^{[ 135 ]} alta sensibilidad a la humedad, ^{[ 136 ]} y toxicidad si se utiliza plomo. ^{[ 137 ]} Gestionar el plomo tóxico en las PSC es esencial, ya que la exposición presenta riesgos significativos para la salud, incluidos trastornos neurológicos. Debido a que las células solares de perovskita son una tecnología emergente, la toxicidad del plomo sigue siendo un obstáculo importante para su adopción generalizada y comercialización.

Celdas solares sensibilizadas con colorantes

Las células solares sensibilizadas por colorante (DSC) son un novedoso tipo de célula solar de película delgada. Estas células solares funcionan mejor bajo luz ambiental que otras tecnologías fotovoltaicas. Su funcionamiento se basa en la absorción de luz por un colorante sensibilizador entre dos materiales de transporte de carga. El colorante rodea nanopartículas de _TiO₂ que se encuentran en una red sinterizada. ^[¹³⁸^]_El TiO₂ actúa como banda de conducción en un semiconductor de tipo n; el andamiaje para las moléculas de colorante y transporta electrones durante la excitación. Para la tecnología DSC de TiO₂ _, la preparación de muestras a altas temperaturas es muy eficaz, ya que estas temperaturas producen propiedades texturales más adecuadas. Otro ejemplo de DSC es el complejo de cobre con Cu(II/I) como mediador redox con TMBY (4,4',6,6'-tetrametil-2,2'-bipiridina). Las DSC muestran un excelente rendimiento con luz artificial e interior. En un rango de 200 lux a 2000 lux, estas células operan en condiciones de eficiencia máxima del 29,7 %. ^[¹³⁹^]

Sin embargo, se han presentado problemas con las DSC, muchos de los cuales provienen del electrolito líquido. El disolvente es peligroso y penetra en la mayoría de los plásticos. Debido a su estado líquido, es inestable a las variaciones de temperatura, lo que provoca su congelación a bajas temperaturas y su expansión a temperaturas cálidas, causando fallas. ^{[ 140 ]} Otra desventaja es que la celda solar no es ideal para aplicaciones a gran escala debido a su baja eficiencia. Algunas de las ventajas de las DSC son que pueden utilizarse en diversos niveles de luz (incluso en condiciones nubosas), tienen un bajo costo de producción y no se degradan bajo la luz solar, lo que les otorga una vida útil más larga que otros tipos de celdas solares de película delgada.

OPV

Otras posibles tecnologías fotovoltaicas futuras incluyen las orgánicas, las sensibilizadas por colorantes y las de puntos cuánticos. ^{[ 141 ]} Las células fotovoltaicas orgánicas (OPV) pertenecen a la categoría de fabricación de película delgada y suelen operar en torno al 12 % de eficiencia, inferior al 12-21 % que suelen presentar las células fotovoltaicas basadas en silicio. Debido a que las células fotovoltaicas orgánicas requieren una pureza muy alta y son relativamente reactivas, deben encapsularse, lo que aumenta enormemente el coste de fabricación y hace que no sean viables para la producción a gran escala. Las células fotovoltaicas sensibilizadas por colorantes tienen una eficiencia similar a las OPV, pero son significativamente más fáciles de fabricar. Sin embargo, estas células fotovoltaicas sensibilizadas por colorantes presentan problemas de almacenamiento, ya que el electrolito líquido es tóxico y puede permear los plásticos utilizados en la célula. Las células solares de puntos cuánticos se procesan en solución, lo que significa que son potencialmente escalables, pero actualmente alcanzan un máximo de eficiencia del 12 %. ^{[ 123 ]}

Las células fotovoltaicas orgánicas y poliméricas (OPV) son un área de investigación relativamente nueva. Las capas de la estructura tradicional de las células OPV consisten en un electrodo semitransparente, una capa de bloqueo de electrones, una unión túnel, una capa de bloqueo de huecos y un electrodo, con el sol incidiendo sobre el electrodo transparente. Las OPV reemplazan la plata con carbono como material del electrodo, lo que reduce el costo de fabricación y las hace más respetuosas con el medio ambiente. ^{[ 142 ]} Las OPV son flexibles, ligeras y funcionan bien con la fabricación rollo a rollo para la producción en masa. ^{[ 143 ]} Las OPV utilizan "solo elementos abundantes acoplados a una energía incorporada extremadamente baja a través de temperaturas de procesamiento muy bajas utilizando solo condiciones de procesamiento ambientales en equipos de impresión simples que permiten tiempos de recuperación de energía". ^{[ 144 ]} Las eficiencias actuales varían del 1 al 6,5%, ^{[ 62 ]}^{[ 145 ]} sin embargo, los análisis teóricos muestran potencial para una eficiencia superior al 10%. ^{[ 144 ]}

Existen muchas configuraciones diferentes de OPV que utilizan distintos materiales para cada capa. La tecnología OPV rivaliza con las tecnologías fotovoltaicas existentes en términos de EPBT, aunque actualmente presentan una vida útil operativa más corta. Un estudio de 2013 analizó 12 configuraciones diferentes, todas con una eficiencia del 2%, y el EPBT osciló entre 0,29 y 0,52 años para 1 ^m² de PV. ^[¹⁴⁶^] El promedio de CO₂ _- eq/kWh para OPV es de 54,922 gramos. ^[¹⁴⁷^]

Termofotovoltaica

La conversión de energía termofotovoltaica (TPV) es un proceso de conversión directa de calor a electricidad mediante fotones . Un sistema termofotovoltaico básico consta de un objeto caliente que emite radiación térmica y una célula fotovoltaica similar a una célula solar , pero sintonizada al espectro emitido por el objeto caliente. ^{[ 148 ]}

Dado que los sistemas TPV generalmente funcionan a temperaturas más bajas que las células solares, su eficiencia tiende a ser baja. Es común compensar esto mediante el uso de células multijunción basadas en materiales distintos del silicio, pero suele ser muy costoso. Esto limita actualmente el uso de TPV a aplicaciones específicas, como la alimentación de naves espaciales y la recuperación de calor residual de sistemas más grandes, como las turbinas de vapor .

Generador fotovoltaico-termoeléctrico

El sistema híbrido fotovoltaico-termoeléctrico (PV-TEG) es un tipo de celda híbrida PV que combina una celda fotovoltaica (PV) con un generador termoeléctrico (TEG). ^{[ 149 ]} Los TEG se basan en el efecto Seebeck , un fenómeno que ocurre cuando una unión de dos materiales conductores experimenta una diferencia de temperatura, induciendo así una fuerza electromotriz. ^{[ 150 ]} El voltaje resultante es directamente proporcional a la diferencia de temperatura.

Durante el proceso de conversión de luz en electricidad, se disipa calor, lo que reduce la eficiencia de las células fotovoltaicas a altas temperaturas y disminuye su vida útil. ^{[ 150 ]} Al integrar un generador termoeléctrico (TEG) en el sistema, se facilita la disipación del calor de la célula fotovoltaica y su conversión en electricidad, mejorando así su eficiencia y longevidad. ^{[ 151 ]}

El factor de mérito termoeléctrico ZT determina la eficiencia de conversión de calor en electricidad, así como la capacidad de enfriamiento. ^{[ 152 ]} La optimización de parámetros como la conductividad eléctrica (σ), el coeficiente de Seebeck (S) y la conductividad térmica (κ) es de interés para maximizar las eficiencias.

$ZT={\sigma S^{2}T \over \kappa }$

Los materiales termoeléctricos comunes suelen tener un valor ZT de aproximadamente 1, lo que corresponde a una eficiencia de aproximadamente el 10 % o menos. ^{[ 152 ]} Si bien los TEG típicos tienen una baja eficiencia de conversión, la investigación en curso sobre materiales termoeléctricos como BiTe (ZT = 2,4), SnSe (ZT = 2,6) y compuestos de tipo half-Heusler (ZT = 1,6) ha llevado a una mejora en la eficiencia a lo largo de los años. ^{[ 152 ]}^{[ 151 ]} Las predicciones teóricas indican un mayor potencial de optimización, con valores estimados de 14 para BiTe, 2,6 para SnSe y 2,2 para half-Heusler. ^{[ 152 ]}

Alineación del módulo solar

También se pueden montar varios módulos solares verticalmente uno encima del otro en una torre, si la distancia cenital del Sol es mayor que cero, y la torre puede girar horizontalmente en su conjunto y cada módulo adicionalmente alrededor de un eje horizontal. En una torre de este tipo, los módulos pueden seguir al Sol con precisión. Este dispositivo puede describirse como una escalera montada sobre un disco giratorio. Cada peldaño de la escalera es el eje central de un panel solar rectangular. Si la distancia cenital del Sol llega a cero, la "escalera" puede girarse hacia el norte o el sur para evitar que un módulo solar proyecte sombra sobre uno inferior. En lugar de una torre exactamente vertical, se puede optar por una torre con un eje dirigido hacia la estrella polar , es decir, paralelo al eje de rotación de la Tierra . En este caso, el ángulo entre el eje y el Sol siempre es mayor de 66 grados. Durante el día, solo es necesario girar los paneles alrededor de este eje para seguir al Sol. Las instalaciones pueden estar montadas en el suelo (y a veces integradas con la agricultura y el pastoreo) ^{[ 153 ]} o construidas en el techo o las paredes de un edificio ( fotovoltaica integrada en edificios ).

Cuando el terreno es limitado, la energía fotovoltaica puede implementarse como energía solar flotante . En 2008, la bodega Far Niente fue pionera en el primer sistema "floatovoltaico" del mundo al instalar 994 paneles solares fotovoltaicos en 130 pontones y hacerlos flotar en el estanque de riego de la bodega. ^{[ 154 ]}^{[ 155 ]} Una ventaja de esta configuración es que los paneles se mantienen a una temperatura más baja que en tierra, lo que resulta en una mayor eficiencia de conversión de energía solar. Los paneles flotantes también reducen la cantidad de agua que se pierde por evaporación e inhiben el crecimiento de algas. ^{[ 156 ]}

La tecnología fotovoltaica de concentración , a diferencia de los sistemas fotovoltaicos convencionales de paneles planos, utiliza lentes y espejos curvos para concentrar la luz solar en células solares multijunción pequeñas pero de alta eficiencia. Estos sistemas a veces emplean seguidores solares y un sistema de refrigeración para aumentar su eficiencia.

Eficiencia

En 2019, el récord mundial de eficiencia de células solares, con un 47,1%, se logró utilizando células solares de concentración de unión múltiple , desarrolladas en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable de Colorado, EE. UU. ^[¹⁵⁷^] Las mayores eficiencias alcanzadas sin concentración incluyen un material de Sharp Corporation con un 35,8% utilizando una tecnología de fabricación de triple unión patentada en 2009, ^[¹⁵⁸^] y Boeing Spectrolab (40,7% también utilizando un diseño de triple capa).

Se está trabajando para aumentar la eficiencia de conversión de las células y módulos fotovoltaicos, principalmente para obtener una ventaja competitiva. Para incrementar la eficiencia de las células solares, es importante elegir un material semiconductor con una banda prohibida adecuada que coincida con el espectro solar. Esto mejorará las propiedades eléctricas y ópticas. Mejorar el método de recolección de carga también contribuye a aumentar la eficiencia. Existen varios grupos de materiales en desarrollo. Los dispositivos de ultra alta eficiencia (η>30%) ^{[ 159 ]} se fabrican utilizando semiconductores de GaAs y GaInP2 con células tándem de múltiples uniones. Los materiales de silicio monocristalino de alta calidad se utilizan para lograr células de alta eficiencia y bajo costo (η>20%).

Los recientes avances en células fotovoltaicas orgánicas (OPV) han logrado mejoras significativas en la eficiencia de conversión de energía, pasando del 3% a más del 15% desde su introducción en la década de 1980. ^{[ 160 ]} Hasta la fecha, la mayor eficiencia de conversión de energía reportada oscila entre el 6,7% y el 8,94% para moléculas pequeñas, entre el 8,4% y el 10,6% para OPV de polímeros y entre el 7% y el 21% para OPV de perovskita. ^{[ 161 ]}^{[ 162 ]} Se espera que las OPV desempeñen un papel importante en el mercado fotovoltaico. Las mejoras recientes han aumentado la eficiencia y reducido el costo, manteniendo al mismo tiempo su carácter ecológico y renovable.

Varias empresas han comenzado a integrar optimizadores de potencia en módulos fotovoltaicos denominados módulos inteligentes . Estos módulos realizan el seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) para cada módulo individualmente, miden datos de rendimiento para su monitorización y proporcionan funciones de seguridad adicionales. Dichos módulos también pueden compensar los efectos de sombreado, en los que una sombra que cae sobre una sección de un módulo provoca una disminución de la producción eléctrica de una o más cadenas de celdas del módulo. ^{[ 163 ]}

Una de las principales causas de la disminución del rendimiento de las células es el sobrecalentamiento. La eficiencia de una célula solar disminuye aproximadamente un 0,5 % por cada grado Celsius de aumento de temperatura. Esto significa que un aumento de 100 grados en la temperatura de la superficie podría reducir la eficiencia de una célula solar a la mitad. Las células solares con autorrefrigeración son una solución a este problema. En lugar de utilizar energía para enfriar la superficie, se pueden formar estructuras piramidales y cónicas de sílice y adherirlas a la superficie del panel solar. De esta manera, la luz visible llega a las células solares , pero refleja los rayos infrarrojos (que transportan calor). ^{[ 164 ]}

Ventajas

Contaminación y energía en la producción

Los 122 PW de luz solar que llegan a la superficie terrestre son abundantes, casi 10 000 veces más que los 13 TW equivalentes de potencia promedio consumida por los humanos en 2005. ^[¹⁶⁵^] Esta abundancia sugiere que pronto la energía solar se convertirá en la principal fuente de energía del mundo. ^[¹⁶⁶^] Además, la radiación solar tiene la mayor densidad de potencia (media global de 170 W/m² ⁾ entre las energías renovables. ^[¹⁶⁵^]

La energía solar no contamina durante su uso, lo que permite reducir la contaminación cuando se utiliza en sustitución de otras fuentes de energía. Por ejemplo, el MIT estimó que 52 000 personas mueren prematuramente cada año en EE. UU. a causa de la contaminación de las centrales eléctricas de carbón ^{[ 167 ]} , y todas menos una de estas muertes podrían evitarse utilizando energía fotovoltaica en lugar de carbón. ^{[ 168 ]}^{[ 169 ]} Los residuos y las emisiones de la producción son manejables mediante los controles de contaminación existentes. Se están desarrollando tecnologías de reciclaje al final de su vida útil ^{[ 170 ]} y se están elaborando políticas que fomentan el reciclaje por parte de los productores. ^{[ 171 ]}

Los paneles solares suelen tener una garantía de 25 años (pero los inversores tienden a fallar antes), ^{[ 172 ]}^{[ 173 ]} con poco mantenimiento o intervención después de su instalación inicial, por lo que después del costo de capital inicial de construir cualquier planta de energía solar, los costos operativos son extremadamente bajos en comparación con las tecnologías de energía existentes. Un enfoque para mejorar el desempeño ambiental de los paneles fotovoltaicos es con módulos fotovoltaicos circulares que están diseñados para ser fácilmente desmontados. ^{[ 174 ]}^{[ 175 ]}

Los paneles solares en los tejados se pueden utilizar localmente, reduciendo así las pérdidas de transmisión/distribución. ^{[ 176 ]}

Inversión en investigación de células solares

En comparación con las fuentes de energía fósil y nuclear, se ha invertido muy poco dinero en investigación para el desarrollo de células solares, por lo que existe un amplio margen de mejora. No obstante, las células solares experimentales de alta eficiencia ya alcanzan eficiencias superiores al 40 % en el caso de las células fotovoltaicas de concentración ^{[ 177 ]} , y estas eficiencias están aumentando rápidamente, mientras que los costes de producción en masa están disminuyendo rápidamente ^{[ 178 ] .}

Subsidios para la vivienda

En algunos estados de Estados Unidos, gran parte de la inversión en un sistema solar doméstico puede perderse si el propietario se muda y el comprador le otorga un valor menor que el vendedor. La ciudad de Berkeley desarrolló un método de financiación innovador para eliminar esta limitación, mediante la adición de una tasación fiscal que se transfiere con la vivienda para pagar los paneles solares. ^{[ 179 ]} Ahora conocido como PACE (Property Assessed Clean Energy), 30 estados de EE. UU. han replicado esta solución. ^{[ 180 ]}

Desventajas

Impacto en la red eléctrica

Para los sistemas fotovoltaicos instalados en tejados detrás del contador, el flujo de energía se vuelve bidireccional. Cuando la generación local supera el consumo, la electricidad se exporta a la red, lo que permite la medición neta . Sin embargo, las redes eléctricas tradicionalmente no están diseñadas para gestionar la transferencia bidireccional de energía, lo que puede generar problemas técnicos. Puede producirse una sobretensión cuando la electricidad fluye desde estos hogares fotovoltaicos de vuelta a la red. ^{[ 181 ]} Existen soluciones para gestionar la sobretensión, como la regulación del factor de potencia del inversor fotovoltaico, la instalación de nuevos equipos de control de tensión y energía a nivel de distribuidor eléctrico, el recableado de los cables eléctricos, la gestión de la demanda, etc. Estas soluciones suelen tener limitaciones y costes asociados.

La alta generación durante las horas centrales del día reduce la demanda neta de generación, pero una mayor demanda neta máxima al atardecer puede requerir un rápido aumento de la capacidad de las centrales eléctricas, lo que produce un perfil de carga denominado curva del pato .

Véase también

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