Células Fotovoltaicas: Aprende sobre su eficiencia, los materiales empleados y la durabilidad. Descubre cómo transforman la luz solar en energía eléctrica.
Células Fotovoltaicas | Eficiencia, Materiales y Durabilidad
Las células fotovoltaicas son dispositivos que convierten la luz solar en electricidad. Este mecanismo ha cobrado mucha importancia en los últimos años debido a la creciente demanda de energía limpia y renovable. En este artículo, exploraremos las bases teóricas, la eficiencia de estas células, los materiales empleados en su fabricación y su durabilidad a lo largo del tiempo.
Bases Teóricas de las Células Fotovoltaicas
El funcionamiento básico de una célula fotovoltaica está fundamentado en el efecto fotovoltaico, descubierto por el físico francés Alexandre-Edmond Becquerel en 1839. Este efecto se produce cuando un material semi-conductor, al ser expuesto a la luz solar, genera una corriente eléctrica.
En términos de física, las células fotovoltaicas funcionan de la siguiente manera:
- Los fotones (partículas de luz) inciden sobre el material semiconductor.
- La energía de los fotones excita a los electrones en los átomos del material semiconductor, promoviendo a estos electrones a un nivel energético superior.
- Este salto de energía crea pares de electrones-huecos, donde un electrón es una partícula cargada negativamente y el hueco representa la ausencia de un electrón, actuando como una carga positiva.
- Las estructuras de la célula fotovoltaica están diseñadas para separar estos pares de electrones-huecos, generando así una corriente eléctrica.
Eficiencia de las Células Fotovoltaicas
La eficiencia de una célula fotovoltaica se define como la proporción de energía solar que puede convertir en electricidad. Esta eficiencia está influenciada por diversos factores, incluyendo:
- Material: Diferentes materiales tienen diferentes capacidades de absorción de luz y conversión de la misma en electricidad.
- Temperatura: Las altas temperaturas pueden reducir la eficiencia de las células fotovoltaicas.
- Reflectancia: Parte de la luz incidente se refleja y no contribuye a la generación de electricidad.
El parámetro que comúnmente se utiliza para medir la eficiencia de las células fotovoltaicas es el llamado “factor de llenado” (FF). Este factor se calcula mediante la siguiente ecuación:
$$
FF = \frac{P_{max}}{V_{oc} * I_{sc}}
$$
donde \(P_{max}\) es la potencia máxima que puede generar la célula, \(V_{oc}\) es la tensión de circuito abierto y \(I_{sc}\) es la corriente de cortocircuito. A partir de estos datos, se puede calcular la eficiencia (\(\eta\)) de la célula fotovoltaica con la siguiente fórmula:
$$
\eta = \frac{P_{max}}{E_{in}} = \frac{V_{oc} * I_{sc} * FF}{E_{in}}
$$
donde \(E_{in}\) es la energía total incidente (energia solar) sobre la célula fotovoltaica.
Materiales Utilizados en Células Fotovoltaicas
Los materiales más comunes empleados en la fabricación de células fotovoltaicas son:
- Silicio Monocristalino: Este material ofrece una alta eficiencia ya que los electrones pueden moverse libremente gracias a la estructura cristalina uniforme. Las células de silicio monocristalino tienen eficiencias que oscilan entre el 15% y 20%.
- Silicio Policristalino: Son menos costosas de producir que las de silicio monocristalino pero tienen una eficiencia ligeramente inferior, generalmente entre 13% y 16%.
- Silicio Amorfo: Utilizado en células de película delgada, es más barato de producir pero su eficiencia es considerablemente menor que la de los anteriores, situándose entre el 6% y 7%.
- Compuestos Metalúrgicos: Materiales como el teluro de cadmio (CdTe) y el seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) se utilizan en células de película delgada y ofrecen eficiencias comparables a las de silicio policristalino.
Durabilidad de las Células Fotovoltaicas
La durabilidad de una célula fotovoltaica es un aspecto crucial para determinar su viabilidad a largo plazo como fuente de energía. La vida útil de una célula depende de varios factores:
- Calidad del Material: Materiales de alta calidad tienden a deteriorarse menos con el tiempo.
- Encapsulación: Las células fotovoltaicas encapsuladas en vidrio y con sellado adecuado pueden resistir mejor las inclemencias del tiempo.
- Entorno Operativo: Exposición prolongada a ambientes muy húmedos, salinos o con cambios extremos de temperatura puede reducir la vida útil de las células.
En general, las células fotovoltaicas típicas tienen una vida útil de unos 25 a 30 años, con un rendimiento que puede disminuir progresivamente. Muchos fabricantes ofrecen garantías que cubren una pérdida de eficiencia determinada durante este periodo.