Célula fotovoltaica: funcionamiento, tipos, rendimiento

El funcionamiento de los paneles solares se basa en un elemento principal: la célula fotovoltaica. Estos pequeños cuadrados, que forman los módulos fotovoltaicos, tienen la increíble capacidad de transformar la luz solar en electricidad. Aquí te explicaremos todo lo que necesitas saber sobre la célula fotovoltaica: sus características, cómo funciona, los diferentes tipos de células que existen. También veremos en detalle un elemento importante: su rendimiento, imprescindible saber cuando te embarcas en un proyecto solar.

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¿Qué es una celda fotovoltaica?

Las células fotovoltaicas son elementos que forman paneles solares . Estos son componentes electrónicos que producen electricidad a partir de los rayos del sol. Son muy finas (unas 200 μm), pero una cantidad muy pequeña es suficiente para fabricarlas. Hay entre 60 y 72 células fotovoltaicas en cada panel solar.

Las características de la célula fotovoltaica

¿De qué está hecho?

Para fabricar una célula fotovoltaica se utilizan materiales semiconductores , que son aislantes eléctricos, pero que aún así permiten que los electrones produzcan corriente. El silicio es el material más utilizado para la fabricación de células fotovoltaicas .

El silicio tiene muchas ventajas: es muy abundante y fácil de extraer (se encuentra en la arena y el cuarzo). También es fácilmente reciclable. En casos raros, se utilizan otros materiales para la fabricación de células fotovoltaicas: seleniuro de cobre indio y galio, seleniuro de cobre-indio, telururo de cadmio o incluso perovskita. Estos materiales siguen siendo muy poco utilizados por el momento, pero mucha investigación científica se interesa por ellos.

¿Cómo funcionan las células fotovoltaicas?

Para explicar el funcionamiento de una célula fotovoltaica , es necesario retomar algunas nociones de física. El silicio, el material principal de la célula, está formado por átomos. Estos átomos están compuestos por un núcleo y electrones que gravitan a su alrededor.

Cuando los electrones de silicio entran en contacto con los fotones (partículas de luz solar), se agitan. Para que puedan circular de forma que creen una corriente eléctrica, es necesario que tengan un polo positivo y un polo negativo , como en las baterías eléctricas. Para ello, se asocia silicio con boro para obtener el polo positivo, y con fósforo para el polo negativo (este es el lado que da al sol).

Gracias a este sistema de polos positivo y negativo, los electrones se mueven de forma natural entre ambos para reequilibrar las cargas. Esto crea una corriente eléctrica.

Los diferentes tipos de células fotovoltaicas

Existen diferentes tipos de celdas fotovoltaicas. Incluso si funcionan globalmente de la misma manera, cada uno tiene sus especificidades.

Células de silicio monocristalino

Las células monocristalinas se reconocen por su color muy oscuro. Es un solo cristal de silicio . Dentro de un mismo módulo solar, todos los cristales de silicio están orientados en la misma dirección. El rendimiento de este material es superior al del silicio policristalino, pero también se vende a un precio superior, ya que su fabricación es más delicada.

Células de silicio policristalino

Estas células se reconocen por su color azulado . Se componen de cristales orientados en diferentes direcciones : esta es la razón por la que su color no es homogéneo. A nivel mundial, es el material fotovoltaico más utilizado, ya que actualmente ofrece la mejor relación calidad-precio. Los costos de fabricación son de hecho más bajos que los del silicio monocristalino.

El principal inconveniente de las células de silicio policristalino es que tienen una eficiencia menor que la del silicio monocristalino. Por lo tanto, es necesario instalar más para producir la misma cantidad de energía.

Células de silicio amorfo de película delgada

También hay células de silicio amorfo , generalmente de color marrón o gris oscuro. Son mucho más delgadas que las células de silicio cristalino (solo unas pocas micras). Esta es una tecnología que se ha utilizado durante mucho tiempo en calculadoras pequeñas, pero su rendimiento sigue siendo muy bajo. También tienen una vida útil más corta que otros tipos de células: solo alrededor de diez años, en comparación con los treinta del silicio monocristalino y policristalino.

Otros tipos de células fotovoltaicas

Acabamos de presentarle los tres tipos de células fotovoltaicas más utilizadas. Hay otros, que no están muy explotados, porque todavía están en su mayoría en estado de investigación:

• Las células orgánicas no son minerales semiconductores como el silicio. Por el contrario, se basan en moléculas o polímeros de química orgánica. Aunque están empezando a ver algunas aplicaciones, el rendimiento que producen todavía es demasiado bajo. Su estabilidad a largo plazo tampoco es satisfactoria. Su ventaja es que, en teoría, podrían producirse a bajo costo, en comparación con las celdas de silicio.
• Las perovskitas son un nuevo tipo de celda, basadas en un material híbrido: una parte es orgánica, la otra es inorgánica. Su desempeño en el laboratorio es bastante prometedor, pero su inestabilidad ahora es un freno para su industrialización. Sus ventajas serían un bajo costo de producción, celdas livianas, flexibles y manejables, lo que les permitiría integrarse en diferentes tipos de recubrimiento.

¿Cuál es la eficiencia de una celda fotovoltaica?

La eficiencia de una celda fotovoltaica corresponde a la relación entre la cantidad de energía luminosa transformada en electricidad y la cantidad de energía que ha sido captada por el sistema. Es por tanto un porcentaje que permite evaluar la eficiencia de las células fotovoltaicas. Cuanto mayor sea este porcentaje, más electricidad produce la celda.

Las celdas con menor eficiencia son las de silicio amorfo: está entre el 6% y el 9% .

Las células de silicio policristalino tienen una eficiencia de entre el 13% y el 18% .

Finalmente, las celdas con mejor eficiencia son las de silicio monocristalino, para una eficiencia entre el 16% y el 24% .

Ciertos factores, además de la tecnología utilizada, pueden tener un impacto en el rendimiento de una celda fotovoltaica. Es el caso, por ejemplo, de la orientación e inclinación de los paneles solares, la zona geográfica de instalación o la presencia de una zona de sombra en la cubierta. Como recordatorio, es posible un rendimiento óptimo con una orientación sur, una inclinación de 30°, una región soleada y sin zonas de sombra en los paneles (ramas de árboles o edificios).

El costo de instalar celdas fotovoltaicas

Cuanto más potentes son las células, más electricidad produce… pero más caras son de instalar. Para determinar la potencia que necesitas, empieza por definir con precisión tus necesidades reales . Estos dependen de su equipo eléctrico, la cantidad de personas en su hogar, el tamaño de su hogar, etc. La potencia de tu instalación también puede ser diferente en función de tus objetivos: no necesariamente serán las mismas si quieres ser de autoconsumo o si quieres hacer reventa total.

Para cuantificar el coste total de una instalación fotovoltaica hay que tener en cuenta varias cosas: el estudio previo al proyecto, el equipamiento, su instalación y la conexión a la red. Según cifras del INC, se necesitan entre 10.000€ y 12.000€ impuestos incluidos para una instalación fotovoltaica con una potencia de 3 kWp (1). Engie ofrece un paquete llave en mano a un precio de 7.000 € impuestos incluidos.

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Si has seguido correctamente, ahora sabes que las células fotovoltaicas representan un elemento esencial del panel solar. Es un componente eléctrico que produce electricidad en contacto con los rayos del sol. Existen diferentes tipos, pero los más utilizados son el silicio monocristalino (negro) y el silicio policristalino (azulado). El rendimiento y el precio de compra variable se basan en el tipo de celda elegida. Para un rendimiento óptimo de tus células fotovoltaicas, lo más importante es orientarlas al sur e inclinarlas a 30°.

¿Qué tipo de corriente producen las células fotovoltaicas?

Las células fotovoltaicas solo producen corriente continua . Este tipo de corriente no puede ser utilizada para su uso diario, por lo que es necesario transformarla en corriente alterna, para poder alimentar sus electrodomésticos. Esto es posible gracias a un inversor solar .

¿Cuáles son los otros componentes de un panel solar?

Hemos visto que las células están compuestas la mayor parte del tiempo por silicio cristalino . Pero otros materiales componen los paneles solares. En primer lugar, están hechos de un 75% a un 80% de vidrio . El marco que rodea los paneles es de aluminio . Las películas de plástico transparente se encuentran en la superficie de las celdas. El cobre y la plata sirven como conectores en las celdas. ¡La particularidad de todos estos materiales es que todos se pueden reciclar muy bien! Esta es la razón por la cual los paneles solares son fácilmente reciclables.

¿Cuál es la potencia de una celda fotovoltaica?

La potencia de una celda fotovoltaica se mide en vatios-pico (Wp) o, más comúnmente, en kilovatios-pico (kWp). Es la potencia eléctrica de una célula, que permite estimar el potencial de producción de una instalación fotovoltaica . La potencia de cada celda depende de su tipo: las de silicio monocristalino serán, por ejemplo, mucho más potentes que las de silicio amorfo.