Aprovechamiento de la energía solar

TÓPICO 2
APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA
SOLAR
Dr. Javier García Molleja

ÍNDICE
1. Paneles fotovoltaicos
2. Elementos para celdas solares
3. Paneles solares: una vista al futuro

Definición de celda y panel solar: principio de
funcionamiento
Una celda solar es un dispositivo cuya función es la conversión de energía solar
en energía eléctrica.
Se basa en la generación de un campo eléctrico entre dos zonas de la celda: uno
con exceso de huecos y otro con exceso de electrones.
Los fotones impactarán en la celda creando un excitón si tienen una energía
superior al gap entre la banda de valencia y la de conducción.
La configuración p-n de la celda sostiene el campo eléctrico y separa el excitón en
un electrón y un hueco.
La celda solar ha de estar en contacto con unos electrodos para colectar los
electrones generados. Además, se requiere de sumideros de calor para refrigerar
la celda.
[http://solarcellcentral.com/]

Definición de celda y panel solar: principio de funcionamiento
El material más común para fabricar una celda solar es el silicio monocristalino.
Su problema es que el coste de producción es muy elevado a pesar de los buenos rendimientos que da.
Una variante es el uso de Si policristalino: su coste es menor pero a cambio se tiene menos rendimiento.
Últimamente se están desarrollando las celdas de películas delgadas: apilamientos muy finos de vidrio y Si amorfo.
[http://solar-energia.net]

Para mejorar el rendimiento puede remplazarse el Si amorfo por otros compuestos semiconductores.
Se están consiguiendo resultados prometedores con seleniuro de cobre-indio (CIS) y telurio de cadmio (CdTe).
Las celdas HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin Layer) son la apuesta más innovadora.
Se postula el intercalado de varias láminas delgadas de diferente naturaleza para reducir el gap entre las bandas de valencia y
conducción.

La unión de celdas solares en pos de un mayor aprovechamiento energético se denomina panel solar.
En multitud de regulaciones los paneles solares generan tensiones de 624 V. Por norma general, se espera que cada celda genere
una tensión de 0,5 V.
Los paneles tienen que estar preparados para resistir las variaciones ambientales. La esperanza de vida aceptada para un panel
es de 25 años.
Los paneles solares encapsulan las celdas solares entre dos láminas: una frontal de protección (vidrio, resina) y otra trasera de
soporte (plástico, vidrio).
Debe garantizarse la estabilidad de las celdas solares dentro de la estructura del panel, así como una buena distribución de
electrodos para colectar y transportar los electrones generados.

Definición de celda y panel solar: principio de
funcionamiento
Cada panel contiene entre 20 y 40 celdas para garantizar la carga de baterías de
12 V.
Las celdas pueden montarse en serie o en paralelo en cuanto a la polaridad.
Los paneles pueden estar colocados en aluminio anodizado, en hierro galvanizado
o en acero inoxidable, según el ambiente en donde se piense instalar.
Si los soportes están motorizados pueden moverse en función de la posición solar.
A veces, para mejorar el rendimiento, se usan lupas o focalizadores de luz. Para
estas configuraciones solo se puede aprovechar la luz directa.
[http://solar-energia.net]

Eficiencia del dispositivo y eficiencia
cuántica
No solo es de vital importancia abaratar los costos de producción
del panes solar, sino mejorar también su eficiencia.
La eficiencia identifica el nivel de aprovechamiento de la energía
solar y su conversión en eléctrica.
En laboratorio se ha logrado incluso eficiencias cercanas al 45%.
[http://deltavolt.pe]

Eficiencia del dispositivo y eficiencia cuántica
Teóricamente se puede comprobar que las celdas solares fabricadas con un único elemento no pueden tener una eficiencia mayor a
33,7%.
Por ejemplo, la eficiencia de celdas solares fabricadas con silicio es de 29% en condiciones ideales. Sin embargo, se está lejos de
alcanzar el límite teórico. En laboratorio el silicio monocristalino llega a una eficiencia del 20%.
Las celdas de silicio policristalino reducen su eficiencia por debajo del 16%.
Para silicio amorfo o películas delgadas la eficiencia baja hasta el 10%.
Es necesario aunar diferentes elementos para aumentar la eficiencia. Las celdas de arseniuro de galio llegan a una eficiencia del
30%.

Para mejorar la eficiencia del dispositivo se pueden hacer muchas aproximaciones: colectar más fotones, no perder los electrones
generados, etc.
Un aspecto interesante es la llamada eficiencia cuántica: el porcentaje de fotones que pueden generar excitones.
Normalmente, esta eficiencia cuántica dependerá de la longitud de onda del fotón. Ante fotones muy energéticos se pueden generar
varios excitones, luego es teóricamente posible eficiencias mayores al 100%.
Integrando para todo el espectro solar se puede calcular la corriente que generará dicha celda solar.

Existen dos tipos de eficiencia cuántica (QE):
1. QE externa: es el cociente entre el número de portadores de carga colectados de la celda y el número de fotones incidentes con
una energía definida.
2. QE interna: es el cociente entre el número de portadores de carga (electrones) colectados de la celda y el número de fotones
incidentes de una energía definida que son absorbidos por la celda.
Se tiene normalmente que la QE externa es menor que la QE interna.
Un alto valor de QE interna indica que los fotones absorbidos son aprovechados para generar excitones.

𝑄𝐸𝑖𝑛𝑡 =
𝑄𝐸𝑒𝑥𝑡
1 − 𝑅 − 𝑇
La eficiencia cuántica interna se calcular a partir de la externa, la reflectancia y la transmitancia.
Por tanto, la QE interna dependerá de la absorción de luz y de la colección de cargas.
Para mejorar la recolección de cargas ha de evitarse cualquier fenómeno que promueva la recombinación del par electrón-hueco.

[http://pveducation.org]

Tipos de paneles solares utilizados en la actualidad e instalaciones
En la actualidad los paneles más utilizados, como se ha mencionado anteriormente, son los de silicio.
Además, de película delgada se están introduciendo los de CdTe y CuIn(Ga)Se.
La fabricación de paneles solares ha aumentado vertiginosamente desde el comienzo del siglo XXI.

[Grätzel M., 2007]

Longyangxia Hydro-Solar PV Station, China (850 MW) Desert Sunlight Solar Farm, EE.UU. (550 MW)
[http://elperiodicodelaenergia.com]

Kamuthi phtovoltaic plant, India (648 MW)
Solar Star, Solar Farm I & II, EE.UU. (579 MW)
[http://elperiodicodelaenergia.com]

Uso del óxido de níquel como capa búfer
El óxido de níquel (NiO) es un compuesto semiconductor de tipo-p, es decir, la conducción queda dirigida por el transporte de
huecos.
La aplicabilidad de este compuesto en la tecnología actual es enorme (paneles solares, memorias RAM, ventanas inteligentes).
En una celda fotovoltaica ha de analizarse la zona de unión entre el donor de electrones y el aceptor de electrones. Mientras más
cargas pasen, mejor funcionará la celda.
Por tanto, es necesario analizar la barrera energética entre estos dos medios: es la diferencia entre la energía de trabajo de salida
de un electrodo y el más alto orbital molecular ocupado (HOMO) de la capa orgánica.

El ánodo, entendido como aceptor de cargas negativas, que se utiliza normalmente es ITO.
Sin embargo, este compuesto no es un buen extractor de huecos del donor.
Es por eso que se intenta estudiar el NiO como capa búfer para mantener las buenas propiedades del compuesto orgánico.
Las propiedades del óxido de níquel son muy sensibles a la cantidad de oxígeno en exceso en su interior, luego se pueden
‘confeccionar’ capas de NiO con las propiedades que más nos interesen.

La capa de NiO ha de tener buena transmitancia óptica. Y un salto de banda
prohibida (band gap) relevante.
Una buena adherencia se consigue si el sustrato de ITO es poco rugoso.
Los recocidos en atmósfera de O2 mejoran la transmitancia óptica, pero
disminuyen el band gap.
La posición del nivel de Fermi dependerá del exceso de oxígeno, por lo que
ha de asegurarse que se mantenga la naturaleza de semiconductor de tipo-
p.
[Nguyen D.-T., 2013]

Los huecos han de concentrarse cerca del donor de electrones.
Para mejorar el rendimiento el excitón fotogenerado debe desintegrarse cerca de la zona interfacial.
El dispositivo tiene una mejora de conducción de corriente a mayor cantidad de oxígeno en exceso.
Se puede ver que la celda tiene un proceso de formación en los primeros minutos, pasando de un comportamiento óhmico a uno rectificador.
[Nguyen D.-T., 2013]

Tras este periodo de formación, donde se reducen corrientes de fuga por creación de nanohilos, la celda solar es estable.
Excepto por el desplazamiento de la corriente inicial a valores negativos no se aprecian diferencias del funcionamiento del dispositivo en
la oscuridad y bajo iluminación.
El tiempo de vida de estas celdas es ¡17 veces mayor! cuando se usa el búfer de NiO.

Influencia del dopado
Hemos hablado de que la cantidad de oxígeno en la estructura de NiO afecta sus
propiedades
Esto depende del régimen de trabajo del blanco del magnetrón: metálico o
envenenado.
A mayor cantidad de oxígeno la estructura aumenta sus dimensiones
El espesor de la capa también afecta a la estructura, puesto que induce tensiones
residuales.
[Keraudy J., 2015]

Influencia del dopado
Para la formación de nanohilos es conveniente que no existan barreras contra su formación, como pueden ser los bordes de grano.
El aumento del tamaño de las cristalitas provoca un aumento de la resistividad eléctrica, independientemente del nivel de dopado de
oxígeno.
Dentro del régimen envenenado la cantidad de oxígeno es superior a cualquier otro caso y las cristalitas no tienen un tamaño
influenciado por el sustrato, lo que hace que la conducción se haga a través de las vacancias de níquel presentes por el exceso de
oxígeno (en este caso se puede estimar que la composición es NiO1,2).
[Keraudy J., 2015]

Análisis de las energías de activación
La introducción de vacancias de Ni por la adición de oxígeno en la estructura puede modificar la anchura del band gap
(aproximadamente 3,8 eV en el NiO estequiométrico).
Es más, el nivel de Fermi puede ser modificado por la inclusión de estados metaestables en el interior de dicha banda prohibida.
Acceder a estos estados desde la banda de valencia hará que el paso a la banda de conducción sea algo que requiera poca energía.
Mediciones de resistividad eléctrica a bajas temperaturas nos permite determinar dichas energías de activación.

Análisis de las energías de activación
La energía de activación es realmente baja, indicando que existe un estado
metaestable cerca de la banda de conducción.
Parece que hay una reducción de la energía de activación a un aumento de
espesor de la película y con adición de oxígeno.
Sin embargo, los cambios son bastante pequeños: de 0,20 eV en NiO19-50nm a
0,14 eV en NiO21-500 nm.
[Molleja J.G., 2014]

Nuevos materiales: grafeno y perovskitas
El grafeno posee un gran interés para la consecuón de celdas solares, pues puede remplazar a los óxidos metálicos.
Las láminas delgadas de grafeno poseen alta transparencia (70%), luego se pueden emplear no como búfer, sino como capa
superior sobre el material orgánico fotosensible.
Su conductividad eléctrica, 500 S/cm, también prevé altas eficiencias en celdas que lo contenga.
Además, el grafeno puede sintonizar su grado de mojado y es muy estable en un amplio rango de temperaturas y de ambientes
químicos.
[Wang X., 2008]

Nuevos materiales: grafeno y perovskitas
El uso de perovskitas como estructuras en las celdas solares es un tema que día a día gana más interés.
Una perovskita bien cristalizada fomenta la inducción de dipolos permanentes y se reduce la cantidad de agujeros y trampas.
La introducción de perovskitas aumenta el rendimiento de la celda solar de un 9,8% a un 14,3%, reduciendo drásticamente la pérdida
de energía.
[Zuo L., 2015]

Innovación para el aprovechamiento solar
No solo es importante la fabricación y composición de las celdas solares y la eficiencia que puede generar.
Con ingenio e innovación pueden solventarse multitud de situaciones adversas.
Quizás una primera aproximación para disminuir la energía requerida sería tener edificaciones sustentables (buena iluminación,
posibilidad de autorregular la temperatura en función de cortinas y corrientes de aire, buen aislamiento térmico…)

Innovación para el aprovechamiento solar
Por ejemplo, con solo usar pinturas adecuadas (basadas en TiO2) para muros exteriores se puede reducir la temperatura interior
hasta niveles aceptables.
[Frigerio E., 2006]

Configuración de girasol y de esfera
Si lo que queremos es aprovechar la radiación solar al máximo
en zonas con un cielo despejado pocas horas es quizás
conveniente que los paneles se muevan siguiendo la
trayectoria del Sol.
Se puede pensar incluso en imitar a la naturaleza. Los paneles
solares incluso pueden reflejar el comportamiento de los
girasoles.
Los paneles con forma de girasol desarrollados por Airlight
Energy (Suiza) pueden incluso refrigerarse bombeando agua
del suelo, participando en el proceso de desalinización.
[http://edition.cnn.com]

Otro concepto puede ser el panel solar esférico.
Se trata de una lente esférica que acumula y redirecciona los rayos de
luz a las celdas fotovoltaicas.
No necesita de movimiento y puede generar energía incluso de los
rayos lunares.
[www.alternative-energy-news.info]

Mediante la observación la naturaleza, que ha tenido millones de años de evolución como ventaja, podemos aprender un par de trucos.
No es necesario rotar el panel en busca del sol siempre y cuando tenga una pequeña porción expuesta a la radiación.
Es la configuración más común en la naturaleza y posee una alta eficiencia: el ramaje de árbol.
Es el caso más representativo del diseño fractal de la naturaleza.
[http://english.cntv.cn] eTree, Israel

Soportes flexibles
Por último, se podría pensar en recubrir cualquier superficie expuesta al sol para colectar
una pequeña cantidad de energía, aunque sumando todas las contribuciones se tendría un
suministro sostenible.
En el entorno urbano siempre hay superficies con poco o ningún uso (sin contar el
decorativo), como los postes eléctricos, señales de tráfico, muros, fachadas…
Recurriendo al uso de soportes flexibles se podrían recubrir de pequeños paneles solares
todas estas superficies.
¡O incluso llevarlo en el bolsillo! [www.outsmartz-solar-panels.com]
[www.mynissanleaf.com]
[http://newatlas.com]

Agradecimientos
Al Grad. Sup. José Torres Ruíz, operador de planta termosolar en
Abengoa Solar (España) por su generosidad a la hora de compartir
información sobre la actualidad en plantas solares.

Bibliografía
[Frigerio E., 2006] Frigerio E., Di Lalla N., Boasso I., Estudio del uso de pinturas selectivas: una aplicación en recintos cúbicos, Avances en
Energías Renovables y Medio Ambiente 10 (2006) 08.17-08.23
[Grätzel M., 2007] Grätzel M., Photovoltaic and photoelectrochemical conversion of solar energy, Philosophical Transactions of the Royal
Society A 365 (2007) 993-1005.
[Keraudy J., 2015] Keraudy J., García Molleja J., Ferrec A., Corraze B., Richard-Plouet M., Goullet A., Jouan P.-Y., Structural, morphological
and electrical properties of nickel oxide thin films deposited by reactive sputtering, Applied Surface Science 357 (2015) 838-844.
[Molleja J.G., 2014] García Molleja J., Kinetic growth of binary compounds by reactive magnetron sputtering, Postdoctoral Report (Institut
des Matériaux Jean Rouxel, Francia), 2014.
[Nguyen D.-T., 2013] Nguyen D.-T. Utilisation d’un oxyde comme couche tampon à l’interface électrode/semi-conducteur organique dans
une cellule photovoltaïque, Tesis Doctoral (Université de Nantes, Francia), 2013.
[Wang X., 2008] Wang X., Zhi L., Müllen K., Transparent, conductive graphene electrodes for dye-sensitized solar cells, Nano Letters 8
(2008) 323-327.
[Zuo L., 2015] Zuo L., Gu Z., Ye T., Fu W., Wu G., Li H., Chen H., Enhanced photovoltaic performance of CH3NH3PbI3 perovskite solar cells
through interfacial engineering using self-assembling monolayer, Journal of the American Chemical Society 137 (2015)2674-2679.

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