Las Tecnologías de las Celdas Solares


A veces, la costumbre nos impide darnos cuenta que cuando caminamos o transitamos por la calle durante el día en realidad estamos nadando en un océano de energía. Quizás pueda no resultarnos tan evidente pero el sol es, por mucho, el mayor recurso energético que tenemos disponible en la tierra. En última instancia, el astro es el ente que se encarga de proveer la energía a casi todo lo que habita la superficie terrestre. Incluso los combustibles fósiles como el petróleo y el carbón, en esencia, son energía solar almacenada y transformada químicamente. El viento también es producido directamente por la incidencia del sol. El núcleo de este, que arde a una temperatura de 15 millones de grados Celsius, es un gran reactor termonuclear que fusiona los átomos de hidrogeno para formar helio, se consume a sí mismo a una razón colosal de 4.26 millones de toneladas métricas de combustible por segundo para producir 384.6 cuatrillones de watts. En tan solo una hora la tierra recibe del sol suficiente energía para satisfacer su demanda por un año.
Los módulos de energía fotovoltaicos convierten de forma directa la luz en electricidad. Esto es posible gracias al efecto fotovoltaico, descubierto en 1839 por Edmond Becquerel. Ya para 1883 Charles Fritts construyó la primera celda solar de estado sólido utilizando selenio y oro. Los diseños modernos surgen para mediados de los años 50´s, cuando accidentalmente científicos de los Laboratorios Bell produjeron la primera celda solar de Silicio. En lo sucesivo la tecnología sería ampliamente utilizada como la principal fuente de suministro energético en la naciente industria espacial. Retos económicos y tecnológicos ralentizaron por mucho tiempo un uso masivo de la energía fotovoltaica, la cual resultaba muy cara en comparación con otras alternativas de suministro. Hoy día, la reducción de los costos de instalación han provocado un escenario es más favorable.
Esencialmente el proceso de conversión de las celdas solares se basa en la propiedad que tienen ciertos materiales para liberar electrones (y con ello producir corriente eléctrica) cuando incide sobre ellos la luz. Una celda solar es el bloque básico de construcción de los sistemas fotovoltaicos y consiste en una plancha de varias capas de material cuidadosamente dispuestas y cada una con funciones específicas.
La energía solar llega en forma de radiación a la superficie terrestre como calor y luz. La forma en la que el sol incide en las diferentes latitudes provoca que, comúnmente, las áreas más calurosas sean también aquellas donde existe una mayor cantidad de energía por área de superficie. Para los sistemas fotovoltaicos el parámetro estándar de potencia aprovechable es 1000 watts/m2 considerando el cenit, es decir el punto donde el sol incide más directamente sobre la superficie y resulta más brillante.

El proceso de conversión

La luz, como toda radiación electromagnética, está compuesta de partículas elementales llamadas fotones. Los fotones (que no tienen masa) están cargados de cierta energía cuyo nivel dependerá del tipo de fuente que los emita, por ejemplo, las ondas de radio producen fotones con niveles de energía mucho menores que los de la luz. Por otro lado, un semiconductor es un tipo de material capaz de conducir corriente eléctrica de forma variable a medida que su resistencia eléctrica decrece o aumenta bajo ciertas condiciones de excitación. Los semiconductores son el material que ha hecho posible la electrónica y también son el material esencial del que están hechas las celdas solares.
Principalmente existen dos tipos de celdas solares: cristalinas y de película delgada. Entre las primeras tenemos las monocristalinas y las policristalinas. Estas consisten, esencialmente, de una delgada plancha de silicio homogénea (espesor de 150-300 micrómetros) de muy alta pureza, el cual es cortado a partir de un lingote. Al Silicio se le agrega Boro y Fosforo en determinadas zonas y le es impreso una delgada rejilla de metal en su cara frontal para conducir y capturar los electrones liberados. Luego se agrega un recubrimiento antireflectivo para absorber la mayor cantidad de luz posible. En las celdas policristalinas se utiliza una plancha de Silicio que puede tener granos relativamente grandes (1-10mm). Dado que no se utiliza un proceso tan exhaustivo para la obtención del lingote, la plancha semiconductora resulta mucho más económica, aunque el producto final tiene una eficiencia menor debido a la orientación aleatoria de los cristales.

Las celdas de película delgada son uno de los avances más significativos de la industria fotovoltaica. Con ellas se pretende abaratar los costos de manera sustancial. El Silicio es uno de los elementos más abundantes en la tierra, no obstante entre los semiconductores utilizados para fabricar celdas solares, es el de menor capacidad de absorción de la luz solar. Como resultado es necesario utilizar una capa de Silicio cristalino hasta 10 veces más gruesa que otros semiconductores como GaAs, CdTe, Cu(InGa)Se2. La mayoría de estos semiconductores existen en capas delgadas y tienen que colocarse en otro material llamado substrato para obtener propiedades mecánicas aceptables. Las planchas de película delgada son hasta 100 veces más finas que una convencional de Silicio. Adicionalmente pueden depositarse en un substrato económico, como el vidrio, acero inoxidable o plástico, a temperaturas mucho más bajas que estas. Los substratos flexibles permiten que las celdas puedan enrollarse brindando ciertas ventas de transporte y producción.
La eficiencia de las celdas de película delgada (6-8%) es bastante menor que las cristalinas (12-16%). La menor eficiencia de la película delgada es compensada con el precio. En general los módulos solares experimentan una reducción en su eficiencia con respecto a las celdas individuales debido a la separación que existe entre celdas ya que las juntas no captan en ninguna forma la energía más si ocupan un espacio dentro de la superficie del panel. No obstante, esto no representa gran inconveniente pues en los módulos lo más importante tiende a ser el valor de watts pico (Wp). La eficiencia de los paneles solares se ve afectada principalmente por 4 factores

1.La distribución angular de la luz. La mayor eficiencia de las celdas se produce cuando el sol incide de forma perpendicular a aquellas. Conforme avanza el día el desplazamiento del sol provoca que esta condición solo este presente durante un par de horas.
2.El contenido espectral de la luz. Los paneles responden de forma diferente ante distintos tipos de espectros o composición de la luz. Estos pueden estar influenciados por el clima, la posición del sol y la contaminación.
3.El nivel de irradiación. Se refiere a la cantidad de energía disponible por área de superficie. Valores típicos están entre 1000-2000 W/m2.
4.La temperatura de las celdas. En la medida que las celdas se calientan se hacen menos eficientes.
El voltaje que produce cada celda ronda los 0.5 voltios, el cual no es aprovechable en aplicaciones de suministro energético de potencia. Es por ello que los paneles solares necesitan incluir combinaciones de celdas con la finalidad de sumar el voltaje necesario del circuito. Por lo general los paneles o módulos consisten en arreglos entre 36 y 70 celdas que pueden estar conectadas en serie, paralelo o una combinación de ambos, dependiendo del nivel de voltaje que se desee. La potencia que suministra cada panel típicamente está en el rango de 250-300 Watts-pico (Wp).


Cerca del 90% de las celdas solares que se manufacturan actualmente corresponden al tipo cristalina. Aunque el futuro de las celdas de película delgada luce prometedor, lo cierto es que la tecnología no ha madurado lo suficiente. El principal reto que enfrenta es el de producir módulos eficientes y económicamente competitivos. La producción de celdas solares es un proceso que consume bastante energía. El tiempo en el cual una celda genera la electricidad necesaria para su fabricación puede ser de 3-5 años para las celdas cristalinas y 1-4 años para las de película delgada. La cifra parece bastante alta, aun considerando que típicamente la vida útil de las unidades es 20-25 años. Es en base a estos altos intervalos de retorno que algunos argumentan que el impacto de la energía solar en gran escala no resultaría tan eficiente en el ciclo energético y el balance ambiental.
Cifras publicadas por Bloomberg New Energy Finance, dan credito que para 1977 el costo del vatio era de $96. Hoy día esa cifra ha experimentado una reducción del 99% al situarse en $0.68. En el mercado local los costos del vatio instalado oscilan los USD $1.5/vatio. La reducción en costos y el aumento de la eficiencia de los modulos solares ha permitido que en la actualidad la tecnología sea una opción de suministro eléctrico económicamente viable. Otro factor atractivo es el costo de operación nulo y el relativo poco mantenimiento que requieren para su funcionamiento en comparación con otras fuentes.
En República Dominicana, se ha tenido un crecimiento muy alentador durante los últimos 9 años, con la promulgación de la Ley 57-07 de Incentivos a la Energía Renovable. Hasta entonces la capacidad instalada en el país era muy escasa. Los incentivos fiscales de la ley 57-07 establecen una compensación fiscal del 40% de los costos de instalación de cualquier fuente de energía renovable. Pudiendo el contratante deducir anualmente la tercera parte de este monto del pago de impuesto sobre la renta durante un periodo de 3 años. Esto permite recuperar buena parte del costo de inversión. La ley también prevé la exoneración del pago de impuestos de los equipos necesarios para la instalación de los sistemas. Las ventajas fiscales han resultado de gran atractivo puesto que cada vez más compañías instaladoras surgen para ofrecer sus servicios producto de la demanda del mercado. Las instalaciones fotovoltaicas están creciendo exponencialmente cada año y se prevé que esta tenga una participación considerable en el futuro, a pesar de la volatilidad inherente a este medio de generación eléctrica.
El sector eléctrico dominicano se está beneficiando considerablemente de la energía fotovoltaica, la cual esta aportando a subsanar el déficit de generación. Sin embargo, si bien el crecimiento futuro proyectado está llamado a proveer un descongestionamiento del sistema, en la medida que más usuarios se tornan productores, también surgen inconvenientes desde el punto de vista de operación de los circuitos de distribución, la masificación de este esquema puede traer consigo ciertas complicaciones. Por ello la Comisión Nacional de Energía (CNE) dispuso en el año 2011 el Reglamento de Generación Distribuida, buscando regular la interconexión de estos pequeños focos de generación eléctricas a la red.


El potencial solar la Repùblica Dominicana resulta muy favorable para la instalación de sistemas fotovoltaicos. El sur del país contiene las áreas de mayor radiación (Azua, Bahoruco y San Juan). Algunas tienen una media anual de hasta 2400 W/m2. El gran Santo Domingo tiene una radiación promedio entre 1400-1800 W/m2, la cual todavía es muy buena el aprovechamiento eléctrico. En las áreas boscosas existen menores índices de radiación debido a que las plantas absorben parte de la luz y por ende hay un menor índice de reflexión solar.

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