Los paneles solares están formados por células solares individuales que se conectan entre sí para formar un panel o módulo. Las propias células solares contienen un semiconductor encargado de crear electricidad en presencia de la luz solar. Otros componentes de un panel solar son el metal, el vidrio y distintos tipos de plástico.
Aunque algunos de los materiales pueden variar según el tipo de panel solar y su uso, los componentes básicos que absorben y reflejan la luz solar, mueven la corriente y mantienen unido el panel deben estar presentes para producir electricidad de forma segura y eficaz.
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Células fotovoltaicas
El efecto fotovoltaico (FV) es el proceso que permite a los paneles solares convertir la luz solar en electricidad utilizable. Fue observado por primera vez en 1839 por un físico francés llamado Alexandre-Edmond Becquerel. La célula fotovoltaica moderna, también conocida como célula solar, se patentó en 1946. Estas células solares fueron las primeras en utilizar con éxito el silicio con impurezas para crear la resistencia eléctrica necesaria para que las células solares funcionen correctamente.
Se pueden utilizar diversos materiales como semiconductores en una célula solar. Cada uno tiene propiedades únicas que lo hacen más o menos atractivo para la fabricación en masa de paneles solares.
Silicio monocristalino
El silicio es un elemento no metálico que se considera un semiconductor porque conduce más electricidad que un aislante pero no tanto como un metal. Las células solares fabricadas con silicio monocristalino se consideran células solares de primera generación. Se fabrican cortando cristales de silicio puro a partir de grandes lingotes.
Estos lingotes se forman normalmente mediante el método Czochralski de cristalización del silicio. Durante este proceso, se fija un cristal semilla en el extremo de una varilla y se baja a la superficie del silicio fundido. Este silicio se suele mezclar con boro. A continuación, se vuelve a extraer lentamente la varilla, y mientras se levanta del crisol, tanto la varilla como el crisol se giran en direcciones opuestas. El lingote se forma lentamente y luego se corta en finas obleas monocristalinas que pueden ser estratificadas con fósforo y utilizarse en células solares.
Las células solares monocristalinas tienen un coste más elevado que las policristalinas, pero tienen una mayor eficiencia, sobre todo cuando son perpendiculares a la luz solar.
Silicio policristalino
Este material está formado por cristales de silicio no alineados creados al fundir muchos cristales de silicio juntos. Como los electrones deben viajar a través de varios cristales en lugar de uno solo, la eficiencia de las células solares policristalinas es menor que la de las monocristalinas. Tienen la ventaja de ser bastante menos caras que los semiconductores de silicio monocristalino, por lo que son relativamente comunes.
Silicio amorfo hidrogenado
Utilizado en las células solares de silicio de capa fina, el silicio amorfo hidrogenado es un material que se deposita como una capa fina sobre una variedad de sustratos como el vidrio, el acero inoxidable y los plásticos. Este tipo de célula solar se considera de segunda generación y tiene claras ventajas sobre las células solares de silicio monocristalino y policristalino de primera generación.
Son relativamente baratas de producir, ya que no utilizan mucho material. Pueden utilizarse para fabricar células solares muy pequeñas y también son más respetuosas con el medio ambiente que otros tipos de células solares porque evitan el uso de metales pesados tóxicos. Sin embargo, al estar hechas de capas tan finas, no pueden absorber tanta radiación solar, lo que las hace mucho menos eficientes que otros tipos de células solares.
Teluro de Cadmio
Otra tecnología solar de segunda generación es el teluro de cadmio, formado por el metal cadmio y el teluro metaloide, que presenta propiedades tanto de los metales como de los no metales. Tiene una eficiencia relativamente alta porque es capaz de utilizar una longitud de onda de luz más amplia para producir electricidad que las células solares de silicio. El cadmio es un subproducto de otros materiales, por lo que su abundancia hace que sea barato utilizarlo en las células solares.
Desgraciadamente, el uso de células solares de teluro de cadmio tiene un coste medioambiental. El cadmio por sí solo es un material muy tóxico, y el cadmio y el teluro juntos también presentan toxicidad. Varios estudios han demostrado que los metales tóxicos se han filtrado de las células solares y que el lixiviado superaba varios límites legales de metales en el agua potable y el suelo. Aun así, siguen siendo una opción popular para las células solares.
Diseleniuro de cobre, indio y galio
El diseleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) es otro material metálico utilizado en las células fotovoltaicas de capa fina. Es un semiconductor que mejora la tecnología del diseleniuro de cobre e indio añadiendo galio para aumentar la eficiencia de la célula.
La producción de células solares de CIGS requiere menos energía que la fabricación de células solares de silicio, y además son increíblemente ligeras y flexibles.
Cuando se probó la toxicidad del CIGS en los lixiviados, varias de las concentraciones de metales en los mismos superaban los límites de agua potable de la Organización Mundial de la Salud. Sin embargo, una investigación más reciente de la Universidad de Tokio ha mostrado datos prometedores sobre el reciclaje del lixiviado de CIGS y la posibilidad de recuperar un alto porcentaje de los metales originales utilizados en las células solares.
Perovskita
Esta familia de materiales tiene una eficiencia de conversión de energía del 25%. Reciben el nombre del mineral perovskita por su estructura cristalina similar. La mayor preocupación sobre la adopción de estos materiales para fabricar células solares es el uso de un absorbente a base de plomo que es altamente tóxico si se libera en el medio ambiente. Actualmente se están probando otros materiales que pueden eliminar la necesidad de plomo en las células solares de perovskita.
Otros materiales para paneles
Hay otros componentes que conforman un panel solar. Cada uno de ellos desempeña un papel en la protección de las células solares frente a los elementos, en el movimiento eficiente de la electricidad a través del sistema o en el mantenimiento del buen funcionamiento de los componentes eléctricos. Aunque algunos elementos pueden diferir según el diseño o el uso, estas son las partes más comunes de un panel solar.
Vidrio
El vidrio se suele utilizar para revestimiento del panel solar para evitar que las células se dañen. Es poco ferroso y no reflectante para permitir la máxima absorción de la luz solar.
Encapsulante
Los encapsulantes de las células solares se utilizan para unir las capas de la célula solar. El etilvinilacetato (EVA) se utiliza en casi el 80% de las células solares. Es barato, permite que la luz lo atraviese fácilmente y tiene una gran fuerza adhesiva, por lo que es tan popular.
Superficie posterior
En los paneles solares que sólo absorben la luz por un lado, se coloca una hoja de superficie trasera o respaldo detrás de la agrupación de células para reducir la temperatura del panel solar. Esta lámina posterior suele estar hecha de polímeros, concretamente de fluoruro de polivinilo (PVF) o de tereftalato de polietileno combinado con PVF.
Caja de conexiones
Cajas de conexión en la parte trasera de los paneles solares encajan el cableado de cobre que contiene la electricidad producida por las células solares. Contiene diodos de unión que mantienen el flujo de electricidad en una dirección para que no vuelva al panel.
Marco de aluminio
Las células solares conectadas entre sí forman un panel solar. Las células se colocan en un marco de aluminio que protege todo el panel y evita que el agua y el polvo entren en el recinto. Después del silicio, el aluminio es el segundo metal más común en la Tierra. Es un metal ligero y resistente a los elementos, lo que lo convierte en una opción ideal para los marcos de los paneles solares.