Cómo Funcionan Las Células Solares De Película Delgada

• ¿Qué es una célula solar de película delgada?
• Estructura de las células solares de película delgada
• Producción de células solares de película delgada

El panel solar es un ícono perdurable de la búsqueda de energía renovable. Verá los rectángulos de paneles negros en los tejados de las casas o se ensamblarán en matrices a través de campos y praderas. Pero el panel, tal como lo conocemos (5,5 pies por 2,75 pies por 2 pulgadas) (1,7 m por 0,8 m por 5 cm), puede ser historia. Esto se debe a que un nuevo tipo de tecnología está listo para ocupar el lugar que le corresponde al lado de los tradicionales paneles basados ​​en obleas de silicio, como una forma eficiente y rentable de convertir la luz solar en electricidad. La tecnología es la célula fotovoltaica (PV) de película delgada, que para 2010 producirá 3.700 megavatios de electricidad en todo el mundo [fuente: Laboratorio Nacional de Energías Renovables].

A partir de 2010, la capacidad de producción aumentará aún más a medida que las celdas fotovoltaicas de película delgada entren en edificios y hogares comerciales que funcionan con energía solar, desde California hasta Kenia y China.

Aparte de su flexibilidad, ¿cómo se comparan las células solares de película delgada con las células solares tradicionales? ¿Por qué son más rentables? ¿Y son el tipo de fuente de energía que hará de la energía solar una alternativa verdaderamente viable al carbón y la energía nuclear? Sigue leyendo para saber más.

¿Qué es una célula solar de película delgada?

Una célula solar de cobre, galio, deselenida y galio, utilizando vidrio.

Si ha utilizado una calculadora con energía solar, ha visto una célula solar basada en tecnología de película delgada. Claramente, la pequeña celda en una calculadora no es grande ni voluminosa. La mayoría tiene aproximadamente una pulgada (2,5 cm) de largo, un cuarto de pulgada (0,6 cm) de ancho y una oblea delgada. La delgadez de la célula es la característica definitoria de la tecnología. A diferencia de las celdas de oblea de silicio, que tienen capas absorbentes de luz que tienen un espesor tradicional de 350 micrones, las celdas solares de película delgada tienen capas absorbentes de luz que solo tienen un micrones de espesor. Una micra, para referencia, es la millonésima parte de un metro (1 / 1,000,000 mo 1 µm).

Los fabricantes de células solares de película delgada comienzan a construir sus células solares mediante el depósito de varias capas de un material absorbente de luz, un semiconductor sobre un sustrato: vidrio, metal o plástico recubierto. Los materiales utilizados como semiconductores no tienen que ser gruesos porque absorben la energía del sol de manera muy eficiente. Como resultado, las células solares de película delgada son livianas, duraderas y fáciles de usar.

Hay tres tipos principales de células solares de película delgada, según el tipo de semiconductor utilizado: silicio amorfo (a-Si), telururo de cadmio (CdTe) y cobre indio galio deselenido (CIGS). El silicio amorfo es básicamente una versión recortada de la tradicional celda de oblea de silicio. Como tal, a-Si se entiende bien y se usa comúnmente en la electrónica alimentada por energía solar. Sin embargo, tiene algunos inconvenientes.

Uno de los mayores problemas con las células solares a-Si es el material utilizado para su semiconductor. El silicio no siempre es fácil de encontrar en el mercado, donde la demanda a menudo excede la oferta. Pero las células a-Si en sí mismas no son particularmente eficientes. Sufren una degradación significativa en la potencia de salida cuando están expuestos al sol. Las células a-Si más delgadas superan este problema, pero las capas más delgadas también absorben la luz solar de manera menos eficiente. En conjunto, estas cualidades hacen que las células a-Si sean excelentes para aplicaciones a pequeña escala, como calculadoras, pero menos que ideales para aplicaciones a mayor escala, como edificios con energía solar.

Avances prometedores en tecnologías fotovoltaicas sin película delgada de silicio están comenzando a superar los problemas asociados con el silicio amorfo. En la siguiente página, veremos las células solares de película delgada CdTe y CIGS para ver cómo se comparan.

Estructura de las células solares de película delgada

Una célula solar de cobre, galio, deselenida y galio usando lámina

Debido a que la estructura y la función están estrechamente relacionadas con las células solares, tomemos un momento para revisar cómo funcionan. La ciencia básica detrás de las células solares de película delgada es la misma que las células tradicionales de oblea de silicio.

Las células fotovoltaicas se basan en sustancias conocidas como semiconductores. Los semiconductores son aislantes en su forma pura, pero pueden conducir electricidad cuando se calientan o combinan con otros materiales. Un semiconductor mezclado, o "dopado", con fósforo desarrolla un exceso de electrones libres. Esto se conoce como semiconductor tipo n. Un semiconductor dopado con otros materiales, como el boro, desarrolla un exceso de "agujeros", espacios que aceptan electrones. Esto se conoce como semiconductor tipo p.

Una célula fotovoltaica une materiales de tipo n y tipo p, con una capa intermedia conocida como unión. Incluso en ausencia de luz, una pequeña cantidad de electrones se mueven a través de la unión del semiconductor de tipo n al tipo p, produciendo un pequeño voltaje. En presencia de luz, los fotones desplazan una gran cantidad de electrones, que fluyen a través de la unión para crear una corriente. Esta corriente se puede utilizar para alimentar dispositivos eléctricos, desde bombillas hasta cargadores de teléfonos celulares.

Las células solares tradicionales utilizan silicio en las capas tipo n y tipo p. En su lugar, la generación más reciente de células solares de película delgada utiliza capas delgadas de telururo de cadmio (CdTe) o deselenuro de cobre indio y galio (CIGS). Una compañía, Nanosolar, con sede en San José, California, ha desarrollado una forma de hacer el material CIGS como una tinta que contiene nanopartículas. Una nanopartícula es una partícula con al menos una dimensión inferior a 100 nanómetros (una mil millonésima parte de un metro, o 1 / 1,000,000,000 m). Existentes como nanopartículas, los cuatro elementos se autoensamblan en una distribución uniforme, asegurando que la proporción atómica de los elementos sea siempre correcta.

Las capas que forman las dos células solares de película delgada sin silicona se muestran a continuación. Tenga en cuenta que hay dos configuraciones básicas de la célula solar CIGS. La celda CIGS sobre vidrio requiere una capa de molibdeno para crear un electrodo efectivo. Esta capa adicional no es necesaria en la celda CIGS-on-foil porque la lámina metálica actúa como electrodo. Una capa de óxido de zinc (ZnO) desempeña el papel del otro electrodo en la celda CIGS. Entre dos capas más, unidas entre sí: el material semiconductor y el sulfuro de cadmio (CdS). Estas dos capas actúan como los materiales de tipo n y p, que son necesarios para crear una corriente de electrones.

La célula solar CdTe tiene una estructura similar. Un electrodo está hecho de una capa de pasta de carbono infundida con cobre, el otro de óxido de estaño (SnO₂) o estannato de cadmio (Cd₂SnO₄). El semiconductor en este caso es el telururo de cadmio (CdTe), que, junto con el sulfuro de cadmio (CdS), crea las capas tipo n y tipo p necesarias para que funcione la célula fotovoltaica.

Pero, ¿cómo se compara la eficiencia de las células solares de película delgada con las células tradicionales? El máximo teórico para las células de oblea de silicio es aproximadamente un 50 por ciento de eficiencia, lo que significa que la mitad de la energía que golpea a la célula se convierte en electricidad. En realidad, las células de oblea de silicio alcanzan, en promedio, una eficiencia del 15 al 25 por ciento. Las células solares de película delgada finalmente se están volviendo competitivas. La eficiencia de las células solares CdTe ha alcanzado un poco más del 15 por ciento, y las celdas solares CIGS han alcanzado el 20 por ciento de eficiencia.

Hay problemas de salud con el uso de cadmio en células solares de película delgada. El cadmio es una sustancia altamente tóxica que, como el mercurio, puede acumularse en las cadenas alimenticias. Esta es una mancha en cualquier tecnología que se considere parte de la revolución verde. El Laboratorio Nacional de Energía Renovable y varias otras agencias y compañías están investigando actualmente células solares de película delgada sin cadmio. Muchas de estas tecnologías están demostrando ser tan eficientes como las que requieren cadmio.

Entonces, ¿cómo se fabrican estas células solares de próxima generación? Siga leyendo y descubra. -

Producción de células solares de película delgada

Nanosolar fabrica células solares de película delgada mediante el depósito de capas de semiconductores sobre papel de aluminio en un proceso similar a la impresión de un periódico.

El costo ha sido la mayor barrera para la adopción generalizada de la tecnología solar. Los paneles solares de oblea de silicio tradicionales requieren un proceso de fabricación complejo y lento que aumenta el costo de la electricidad por vatio. Las células solares de película delgada sin silicona son mucho más fáciles de fabricar y, por lo tanto, eliminan estas barreras.

Los mayores avances recientes recientemente se han producido con la fabricación de CIGS en lámina. Nanosolar fabrica sus células solares mediante un proceso que se asemeja a la impresión offset. Así es como funciona:

1. Resmas de papel de aluminio pasan por prensas grandes, similares a las utilizadas en la impresión de periódicos. Los rollos de papel de aluminio pueden ser metros de ancho y millas de largo. Esto hace que el producto sea mucho más adaptable para diferentes aplicaciones.
2. Una impresora, que opera en un entorno al aire libre, deposita una capa delgada de tinta semiconductora sobre el sustrato de aluminio. Esta es una gran mejora respecto a la fabricación de celdas de vidrio o CIGS, que requiere que el semiconductor se deposite en una cámara de vacío. La impresión al aire libre es mucho más rápida y menos costosa.
3. Otra prensa deposita las capas CdS y ZnO. La capa de óxido de zinc no es reflectante para garantizar que la luz solar pueda alcanzar la capa semiconductora.
4. Finalmente, la lámina se corta en láminas de células solares. El ensamblaje de células clasificadas, similar al utilizado en la tecnología solar de silicio convencional, es posible en el proceso de fabricación de Nanosolar. Eso significa que las características eléctricas de las celdas pueden combinarse para lograr la mejor distribución y rendimiento de la eficiencia del panel. Los paneles solares CIGS sobre vidrio no ofrecen ensamblaje de celdas clasificadas. Debido a que sus paneles están formados por celdas que no están bien emparejadas eléctricamente, su rendimiento y eficiencia se ven significativamente afectados.

Las prensas utilizadas en la impresión de semiconductores son fáciles de usar y mantener. No solo eso, se desperdicia muy poca materia prima. Esto contribuye a la eficiencia general del proceso y reduce el costo de la electricidad generada por los paneles solares. La electricidad de los paneles solares tradicionales cuesta alrededor de $ 3 por vatio. La sabiduría convencional sugiere que la energía solar no será competitiva hasta que pueda producir electricidad a $ 1 por vatio. Nanosolar afirma que su proceso de fabricación súper eficiente y su revolucionaria tinta semiconductora pueden reducir el costo de generar electricidad a partir de la luz solar a tan solo 30 centavos por vatio. Si eso es cierto, la energía solar puede finalmente ser competitiva con el carbón.

El ingeniero de personal Addison Shelton trabaja con un revestidor de producción de células solares en Nanosolar.

La tecnología solar de película delgada no es ciencia ficción. Nanosolar actualmente tiene un suministro de 12 meses de pedidos que está tratando de cumplir. Los clientes incluyen corporaciones y municipios de todo el mundo. Otros fabricantes de células solares de película delgada están igual de ocupados. First Solar, con sede en Ohio, está trabajando con Juwi Solar para construir un campo solar CdTe de película delgada de 40 megavatios en Sajonia, Alemania, que se completará en 2009. Y Honda está experimentando activamente con CIGS de película delgada integrados en el edificio en una instalación en Japón.

Sin embargo, si las células solares de película delgada alcanzan su máximo potencial, es fácil imaginar un futuro donde la energía solar sea tan ubicua como, bueno, la luz solar. Las celdas de película delgada podrían cubrir los techos o formar fachadas de edificios en ciudades. Podrían integrarse en las tejas de techo para facilitar la instalación en cada nueva casa que se esté construyendo. Y podrían ayudar a alimentar una nueva generación de coches y camiones solares.

Para obtener más información sobre energía solar, electricidad y temas relacionados, consulte la página siguiente.

FAQ - 💬

❓ ¿Qué es un panel solar de capa fina?

👉 Paneles Solares Silicio Amorfo (Capa Fina)Se utilizan, por ejemplo, en dispositivos como calculadoras o relojes y tienen la particularidad de que pueden producir electricidad (en poca cantidad) aunque no estén expuestas directamente a la radiación solar de manera perpendicular.

❓ ¿Qué material es utilizado en el método de película delgada para la fabricación de células de silicio?

👉 Los paneles solares de capa delgada de silicio, “thin-film”, se producen mediante la formación de una película de silicio amorfo (a-Si) sobre un sustrato de vidrio.

❓ ¿Cómo funciona una célula solar?

👉 El funcionamiento de cada célula fotovoltaica se puede resumir —básicamente— en la absorción de una partícula de luz (el fotón) por la estructura. Dicho fotón, al entrar en contacto con la capa P, libera un electrón, que será transportado hacia el circuito para dar vida a la energía eléctrica.

❓ ¿Qué tipos de células solares existen?

👉 ¿Cuáles son los principales tipos de células solares según el material del que están hechas?

• Células solares de silicio: monocristalinas y policristalinas. ...
• Células solares de película delgada. ...
• Células solares orgánicas. ...
• Células solares de perovskita. ...
• Célula partida. ...
• Célula PERC. ...
• Células Tipo-P y Tipo N. ...
• Células IBC.

❓ ¿Qué ventajas tienen las thin film?

👉 Ventajas

• Versatilidad de usos y aplicaciones.
• Superan el desempeño de otros tipos de paneles a altas temperaturas.
• Diversidad de colores: negros, transparentes y semitransparentes.
• Mejor desempeño con luz indirecta.
• Diseño único e innovador “sin marco”
• Menor impacto de sombras sobre el rendimiento.

❓ ¿Qué tipo de panel solar es el más eficiente?

👉 Las células solares monocristalinas son las más eficientes y las más comúnmente usadas en paneles solares residenciales. Las células solares policristalinas son menos eficientes, normalmente con índices de menos de 17 % y rara vez se utilizan para las nuevas instalaciones de energía solar en tejados residenciales.