Definición

Las Celdas Fotovoltaicas, son sistemas fotovoltaicos que convierten directamente parte de la luz solar en electricidad. Algunos materiales presentan una propiedad conocida como efecto fotoeléctrico en su forma más simple, estos maetriales se compone de un ánodo y un cátodo recubierto de un material fotosensible. La luz que incide sobre el cátodo libera electrones que son atraídos hacia el ánodo, de carga positiva, originando un flujo de corriente proporcional a la intensidad de la radiación, que hace que absorban fotones de luz y emitan electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad. Las celdas fotovoltaicas se fabrican principalmente de silicio (el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre). Actualmente, existen celdas fotovoltaicas, por ejemplo, en nuestras calculadoras solares así como en los cohetes espaciales.

Principio de Funcionamiento

Principio de Funcionamiento
La conversión directa de luz en electricidad a nivel atómico se llama generación fotovoltaica. Algunos materiales presentan una propiedad conocida como efecto fotoeléctrico, que hace que absorban fotones de luz y emitan electrones. Cuando se captura a estos electrones libres emitidos, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como energía para alimentar circuitos. Las celdas fotovoltaicas, llamadas también celdas solares, están compuestas de la misma clase de materiales semiconductores que se usan en la industria microelectrónica, como por ejemplo el silicio.
Una delgada lámina semiconductora, especialmente tratada, forma un campo eléctrico, positivo en un lado y negativo en el otro. Cuando incide energía luminosa sobre ella, los electrones son golpeados y extraídos de los átomos del material semiconductor. Como se han dispuesto conductores eléctricos en forma de una rejilla que cubre ambas caras del semiconductor, los electrones circulan para formar una corriente eléctrica que aporta energía. Cuando la luz solar pega en una celda sola resta puede ser : reflejada, absorvida o pasasr limpiamente a través de esta. No obstante, solo aquella luz absorvida es la que vá a generar electricidad. La energía de la luz es transferida a electrones en los átomos de la célda foto voltaica. Con su nueva energía , estos escapan de sus posiciones normales en los átomos del material semiconductor foto voltaico y se convierten en parte del flujo electrico.

Esquema Electrico del Efecto Fotoelectrico
Para inducir el campo eléctrico construido dentro de una célula foto voltaica, se ponen dos capas de materiales semiconductores ligeramente distintas en contacto entre sí. La primera es una capa semiconductora del tipo n con abundancia de electrones con carga negativa. La otra capa semiconductora es del tipo con abundancia de "hoyos" que tienen una carga positiva. Aunque ambos materiales son eléctricamente neutros, la silicona del tipo n tiene electrones de sobra y la silicona del tipo p tiene a su vez agujeros de sobra. Colocando estos como sandwich se crea entonces un punto de salida p/n en su fase intermedia creandose entonces ahí y por esta razon un campo de fuerza electrico. Cuando n - y silicón del p-tipo entra en el contacto, los electrones del exceso mueven del lado del n-tipo al lado del p-tipo. El resultado es un aumento de cargo positivo a lo largo del lado del n-tipo de la interface y un aumento de cargo negativo a lo largo del lado del p-tipo.

Juntura N - P en una celda solar o fotovoltaica
Debido al flujo de electrones y agujeros, los dos semiconductores se comportan como una batería, creando un campo eléctrico en la superficie dónde ellos se juntan en la union o juntura p/n. El campo electrico obliga a los electrones a trasladarse desde el semiconductor hacia la superficie negativa de donde quedan disponibles para ser ocupados por algun circuito electrico o acumulación. Al mismo tiempo los hoyos se mueven en direccion contraria hacia la superficie positiva donde se van a esperar a los electrones que vienen en direccion contraria.

Efecto de Absorción

Efecto de Absorción

Tipos

Tipos
Células de Silicio monocristalinas . Silicio dopado B

Células de Silicio policristalinas
Células de Silicio amorfo (multicapas) poseen mayor capacidad absorción de luz, y su mucho más finas.

Celda Multicapas

Otros Tipos

Células de sulfuro de Cadmio y sulfuro de Cobre (10%), Células bifaciales (30% rend.) Doble unión P-N, recoge radiación frontal y reflejada en el suelo. Silicio en cinta. Diselenuro de indio y cobre. Telurio de cadmio.

Construcción de las Células Solares

Construcción de las Células Solares

Debido a que una célula solar genera corrientes y tensiones pequeños, éstas no son los elementos que se utilizan en las aplicaciones prácticas, sino que, con objeto de lograr potencias mayores, se acoplan en serie o en paralelo para obtener mayores tensiones y corrientes formando lo que se denomina módulo fotovoltáico, que es el elemento que se comercializa. A la vez, estos módulos se conectan en serie o en paralelo para obtener las tensiones y corrientes que nos den la potencia deseada. Módulos en serie aumentan el voltaje y conservan la misma corriente, mientras que módulos en paralelo aumentan la corriente, conservando el mismo voltaje. Los módulos generalmente se fabrican para tener una salida de 12 VCD.

El proceso de fabricación de las células solares de silicio lo podemos dividir en tres grandes etapas:

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a) Obtención del Si de alta pureza. Este se obtiene a partir del óxido de silicio, SiO2, básicamente cuarzo, cuya abundancia en la naturaleza elimina problemas de abastecimiento. Este tiene que ser de alta pureza, semejante al semiconductor que se utiliza en la industria electrónica. Actualmente se está trabajando con silicio de menor pureza, pero útil para la fabricación de células solares y a un menor costo.

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b) Obtención de obleas. Utilizando como materia prima polvo de silicio de alta pureza se hace crecer el monocristal hasta obtener una pieza cilíndrica de diámetro variable entre 2 y 20 cm y longitud de alrededor de 1 m. El crecimiento del monocristal sirve para purificar el material y para la creación de una estructura perfecta, gracias a la cual la futura oblea gozará de propiedades semiconductoras.

La barra de silicio se corta mediante sierras especiales produciendo obleas de espesor aproximado de 300 µm. En esta etapa hay una pérdida de material de aproximadamente el 60% en forma de serrín. Actualmente existen otras formas más eficientes de cortado de la barra.

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c) Procesamiento de la oblea. Para obtener finalmente la célula solar, la oblea sufre un procesamiento que consiste de los siguientes pasos:

lapeado y pulido,

formación de unión p-n,

decapado y limpieza,

capa antirreflectante,

fotoligrafía para formación de contactos,

formación de contactos o electrodos,

material para soldadura de electrodos,

limpieza del decapante y comprobación de las características de la celda.

La formación de la unión p- n es la etapa más crítica de todo el proceso de fabricación, debido a que el buen funcionamiento de la célula solar depende en gran medida de una buena unión p-n. Por otro lado, una adecuada capa antirreflejante también es necesaria, ya que una superficie de Si bien pulida puede llegar a reflejar hasta el 34% de la radiación de onda larga y un 54% si la radiación es de onda corta.


Horno de Fusión de Silicio

Sistema de Acondicionamiento

En la actualidad resulta imprescindible hacer una gestión correcta de la energía, intentando obtener el máximo rendimiento posible desde la generación hasta la carga, utilizando todos los recursos que se tienen al alcance. La finalidad de esta energía que obtenemos del sol es utilizarla de la manera más correcta, pero como se sabe es necesario convertir la energía que nos proporciona el sol, en este caso en forma de radiación electromagnética en electricidad. Las instalaciones fotovoltaicas requieren para su funcionamiento el acoplamiento de cuatro subsistemas principales los cuales sirven de acondicionamiento:

Ø Subsistema de captación: cuya finalidad es la captación de la energía solar.

Ø Subsistema de almacenamiento: cuya finalidad es adaptar en el tiempo la disponibilidad de energía y la demanda, acumulándola cuando está disponible, para poderla ofrecer en cualquier momento en que se solicite, en baterias.

Ø Subsistema de regulación: cuya finalidad es proporcionar la regulación de carga y descarga de la batería y el control necesario en instalaciones fotovoltaicas.

Ø Subsistema de distribución y consumo: cuya finalidad es trasladar a los puntos de consumo la electricidad producida, adaptándola a las necesidades cuando sea necesario.

Un ejemplo de mayor uso de sistema de acondicionamiento es un convertidor que transforma la energía proveniente del sol en energía eléctrica en forma corriente continua. El objetivo del convertidor es adecuar los niveles de tensión y corriente proporcionados por el panel, a los niveles de tensión y corriente demandados. No se debes olvidar que el convertidor es un “intermediario” necesario de la energía, que permitirá hacer un uso correcto de la misma. Pero por su calidad de “intermediario” debe tener el mayor rendimiento posible ya que el objetivo es utilizar toda la energía que proporciona el panel.

Circuito de acondicionamiento
Los convertidores de potencia se utilizan de manera genérica para adecuar el “tipo” de corriente que necesitamos, existen convertidores de alterna a continua, de continua a alterna, etc. Este circuito permite la unión entre dos corrientes continuas con niveles de tensión y corriente diferentes.

Aplicaciones Industriales

a) Electrificación rural y de viviendas aisladas. Existen muchas zonas rurales y viviendas aisladas donde llevar energía eléctrica por medio de la red general sería demasiado costoso y por lo tanto no cuentan con este servicio. En este caso, la instalación de un generador fotovoltaico es ampliamente rentable. A menudo se requiere iluminación en lugares remotos donde el costo de emplear energía de la red es demasiado alto. Tales aplicaciones incluyen la iluminación de seguridad, ayudas a la navegación (ej. boyas y faros), señales iluminadas en los caminos, señales en cruces ferroviarios y la iluminación de aldeas. Las células solares pueden satisfacer tales usos, aunque siempre se requerirá de una batería de almacenaje. Estos sistemas generalmente consisten de un panel fotovoltaico más una batería de almacenaje, un acondicionador de energía y una lámpara fluorescente de C.C. de baja tensión y alta eficiencia. Estos sistemas son muy populares en áreas remotas, especialmente en países en vías de desarrollo y es uno de los usos principales de células solares.

b) Comunicaciones. Los generadores fotovoltaicos son una excelente solución cuando hay necesidad de transmitir cualquier tipo de señal o información desde un lugar aislado, por ejemplo, reemisores de señales de TV, plataformas de telemetría, radioenlaces, estaciones meteorológicas.

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Los sistemas fotovoltaicos han proporcionado una solución rentable a este problema con el desarrollo de estaciones repetidoras de telecomunicaciones en área remotas. Estas estaciones típicamente consisten de un receptor, un transmisor y un sistema basado en una fuente de alimentación fotovoltaica. Existen miles de estos sistemas instalados alrededor del mundo y tienen una excelente reputación por su confiabilidad y costos relativamente bajos de operación y mantenimiento.

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Principios similares se aplican a radios y televisiones accionadas por energía solar, los teléfonos de emergencia y los sistemas de monitoreo. Los sistemas de monitoreo remotos se pueden utilizar para recolectar datos del tiempo u otra información sobre el medio ambiente y transmitirla automáticamente vía radio a una central.

c) Ayudas a la navegación. Aquí la aplicación puede ser relativa a la navegación misma o a sus señalizaciones, como alimentar eléctricamente faros, boyas, balizas, plataformas y embarcaciones.

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d) Transporte terrestre. Iluminación de cruces de carretera peligrosos y túneles largos. Alimentación de radioteléfonos de emergencia o puestos de socorro lejos de líneas eléctricas. Señalizaciones de pasos a desnivel o cambio de vías en los ferrocarriles.

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e) Agricultura y ganadería. Se está teniendo una atención muy espacial en estos sectores. Mediante generadores fotovoltaicos podemos obtener la energía eléctrica necesaria para granjas que conviene que estén aisladas de la zonas urbanas por motivos de higiene. Sin embargo, la aplicación más importante y de futuro es el bombeo de agua para riego y alimentación de ganado que normalmente se encuentra en zonas no pobladas. Otras aplicaciones pueden ser la vigilancia forestal para prevención de incendios.

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f) Aplicaciones en la industria. Una de las principales aplicaciones en este campo es la obtención de metales como cobre, aluminio y plata, por electrólisis y la fabricación de acumuladores electroquímicos.

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g) Difusión de la cultura. Televisión escolar para zonas aisladas. Difusión de información mediante medios audiovisuales alimentados eléctricamente mediante generadores fotovoltaicos.

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h) Sistemas De Tratamiento De aguas. en áreas alejadas la energía eléctrica se utiliza a menudo para desinfectar o purificar agua para consumo humano. Las celdas fotovoltaicas se utilizan para alimentar una luz fuerte ultravioleta utilizada para matar bacterias en agua. Esto se puede combinar con un sistema de bombeo agua accionado con energía solar. La desalinización del agua salobre se puede alcanzar mediante sistemas fotovoltaicos de ósmosis inversa.

i) Sistemas de protección Catódicos. La protección catódica es un método de proteger las estructuras de metal contra la corrosión. Es aplicable a puentes, tuberías, edificios, estanques, perforaciones y líneas ferroviarias. Para alcanzar la protección catódica se aplica un pequeño voltaje negativo a la estructura de metal y éste evita que se oxide o aherrumbre. El terminal positivo de la fuente es conectado a un ánodo anodo galvánico o de sacrificio que es generalmente un pedazo del metal de desecho, que es corroído en vez de la estructura que se desea proteger. Las celdas solares fotovoltaicas se a menudo utilizan en lugares remotos para proporcionar este voltaje.
j) Tejas Fotovoltaicas. Los paneles para tejas tienen solamente 4 mm de grosor y las células de Silicio policristalino están montadas sobre una superficie de acero inoxidable que soporta hasta una curvatura de 10mm por el lado más largo y 5 mm / 8 mm respectivamente por el lado corto. Diodos de corriente inversa están incluidos, otros tamaños y potencias disponibles bajo demanda. Los “tejados solares” se orientan siempre hacia el sur y su inclinación debe ser aproximadamente igual a la latitud del lugar incrementada en 15º.

Otros Usos de Celdas Solares

Se puede utilizar celdas fotovoltaicas en una gran variedad de aplicaciones incluyendo:

  • Productos de consumo tales como relojes, juguetes y calculadoras
  • Sistemas de energía de emergencia
  • Refrigeradores para almacenaje de vacunas y sangre en áreas remotas
  • Sistemas de la aireación para estanques
  • Fuentes de alimentación para satélites y los vehículos espaciales
  • Fuentes de alimentación portátiles para camping y pescar

Problema Práctico Industrial

Problema Práctico Industrial
LaFotocatálisis, es un proceso catalítico promovido por energía de determinada longitud de onda, capáz de excitar a un semiconductor (catalizador) al grado de hacer que se comporte como un material conductor, en ela superficie del cual se desarrollarán reacciones de oxido-reducción, las cuales generan radicales libre muy reactivos, mismos que reaccionarán con las especies a su alrededor, rompiendo algunos enlaces moleculares y reduciendo u oxidandolas hasta convertirlas en especies menos complejas. Esta reducción en la complejidad molecular generalmente se traduce en una reducción del grado de contaminación o peligrosidad de la especie que se esté tratando. Como es concido en muchas areas aledañas no existen plantas de tratamiento de agua capaces de eliminar los microorganismos y/o bacterias que se reproducen, para lo cual se hace necesario la implementación d eenergía alternativa como el empleo d ela energia solar a traves del uso de las celdas fotovoltaicas.

La tecnología Fotocatalítica es relativamente nueva (70´s). En la reaccion fotocatalitica interviene: un catalizador, un semiconductor (generalemnte óxido metálico), radiación con la suficiente enegía (de origen natural como la radiación solar, o de origen ertificial como lamparas de luz) y el medio en que se lleva a cabo puede ser gas, líquido o sólido.

Esta tecnología tiene muchas aplicaciones, la mayoría de ellas enfocadas a procesos amigables con el medio ambiente, como lo es la degradación fotocatalítica de contaminantes, siendo estos de diversos tipos, como plaguicidas, detergentes, explosivos, metales pesados, residuos toxicos, peligrosos y en ocasiones biológicos infecciosos.