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La eficiencia de las células solares

David Silva 28 de enero del 2020 America Latina
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Ahora podría estar pensando: ¿Por qué no usamos un semiconductor con una banda prohibida realmente baja para fabricar células solares, de modo que podamos usar todos los fotones para generar electricidad? Es cierto que una célula solar de este tipo producirá mucha electricidad, pero luego nos olvidamos de una cosa importante: también necesitamos crear voltaje. La cantidad significativa aquí es la potencia eléctrica ( P ) que se produce, y está dada por la corriente ( I ) multiplicada por el voltaje ( U ); P = UI. Si bien la corriente viene dada por la cantidad de electrones que podemos excitar, el voltaje eléctrico que crea la célula solar está determinado por la cantidad de energía que tienen los electrones cuando salen. Y quizás sea fácil imaginar que cuanto mayor sea la banda prohibida, mayor será la energía que tenemos para levantar los electrones y mayor será el voltaje en la celda solar.

Cuando elegimos un material semiconductor para fabricar células solares, debemos equilibrar la corriente y el voltaje entre sí: un intervalo de banda alto proporciona poca corriente y mucho voltaje, un intervalo de banda bajo proporciona mucha corriente y poco voltaje, en los paneles solares en las palmas te explican esto a detalle, además que traen unos excelentes precios siendo de los mejores en España. 

Teniendo en cuenta la distribución de los fotones en el espectro solar, es posible calcular que la mejor célula solar teóricamente hecha de un solo semiconductor debería tener una banda prohibida de aprox. 1,4 eV, con una eficiencia teórica máxima del 33% 1. La banda prohibida para el silicio, que es el material más común en las células solares actuales, es de 1,12 eV y, por lo tanto, es ligeramente inferior al óptimo. Por tanto, las células solares de silicio tienen una eficiencia máxima del 29%. En realidad, deberíamos estar felices de que esto no esté tan lejos de la banda prohibida óptima. Después de todo, el silicio es el segundo elemento más común en la corteza terrestre después del oxígeno, por lo que es muy práctico que también resulte ser un semiconductor que también tiene una banda prohibida adecuada para aprovechar la luz solar.

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Como hemos visto, existen límites en cuanto a lo buenas que pueden ser las células solares cuando están hechas de un solo material, pero aún pueden ser una parte importante de la producción de energía. La industria de las células solares ha trabajado duro durante muchos años en la investigación y las mejoras de procesos para hacer que la tecnología sea más competitiva en comparación con los combustibles fósiles y otras formas de energía. El año pasado, la empresa japonesa Panasonic estableció un nuevo récord mundial de células solares de silicio con una eficiencia del 25,6% 2, es decir, casi el 90% de lo teóricamente posible. Los paneles solares también se han vuelto mucho más baratos en los últimos años a medida que aumentaron los volúmenes de producción y se desarrollaron mejores procesos. Esta reducción de costos junto con una mayor eficiencia ha llevado a un aumento dramático en el uso de energía solar. A finales de 2014, el mundo había instalado 177 GW de paneles solares, ¡más de 10 veces más que en 2008! Después de varios años de política energética ambiciosa, Alemania, Italia y Grecia ahora reciben entre el 7% y el 8% de su electricidad a partir de células solares, y varios otros grandes mercados están haciendo lo mismo. Aunque estas cifras son impresionantes en sí mismas, todavía queda un largo camino por recorrer. Las células solares todavía representan solo el 1% de la producción de energía mundial. Por lo tanto, es importante seguir aumentando la eficiencia y reducir los costes también en el futuro. Pero, como hemos visto, existe un límite fundamental para la eficiencia de las células solares. ¿Cómo podemos seguir aumentando la eficiencia por encima del 33%?

Células solares en tándem: ¿células solares del futuro?

Una posible solución a este desafío es ensamblar varias células solares con diferentes bandas prohibidas en una célula solar combinada llamada célula en tándem. La idea se ilustra en la siguiente figura: la celda solar superior está hecha de un material con una banda prohibida alta y, por lo tanto, utiliza los fotones con alta energía, mientras que deja pasar el resto de los fotones a la celda solar de abajo. La siguiente celda solar tiene una banda prohibida de tamaño mediano y la inferior una banda prohibida baja. De esta manera, cada célula solar puede funcionar de manera más óptima en cada bit del espectro solar y se desperdicia menos energía.

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