Tecnologías fotovoltaicas convencionales y avanzadas

Tecnologías fotovoltaicas convencionales y avanzadas

¿Cómo se fabrican los paneles fotovoltaicos más utilizados en el mercado actual? ¿Qué tecnologías podrían despegar en los próximos años? En este artículo descubrimos tecnologías fotovoltaicas convencionales y avanzadas haciendo una imagen clara de la situación.

Silicio, la arquitectura solar convencional

Los paneles de silicio cristalino (c-Si) pertenecen a los paneles solares fotovoltaicos de primera generación y tienen una participación del 95% en la producción fotovoltaica mundial. Las economías de escala de su material principal, el silicio, hacen que el c-Si sea más asequible y altamente eficiente que otros materiales. Los paneles solares han mejorado sustancialmente en eficiencia y energía durante las últimas décadas. La eficiencia media de los módulos en 2006 fue del 13,2% para la fotovoltaica policristalina y del 14,7% para los paneles fotovoltaicos monocristalinos y ha aumentado de forma constante desde entonces, alcanzando el 17% y el 18% respectivamente. Se espera que esta tendencia positiva continúe hasta 2030.

La fuerte posición competitiva del c-Si en el mercado gracias a su costo continuamente decreciente ha dificultado la competencia con otras tecnologías.
Sin embargo, a pesar del alto nivel de eficiencia de esta tecnología fotovoltaica de primera generación, hay mucho margen de mejora, que incluye:

  • reducir el costo de los módulos c-Si para obtener mejores márgenes de ganancia;
  • reducir las impurezas metálicas;
  • mitigar los efectos ambientales reduciendo los desechos;
  • produce obleas más delgadas gracias a las propiedades mejoradas del material.

Células PERC y arquitectura solar de silicio avanzada

Una celda PERC utiliza una arquitectura de celda de silicio avanzada. Las células PERC no son muy diferentes en construcción de una célula fotovoltaica monocristalina típica; sin embargo, la mejora clave es la integración de una capa de material en la parte posterior de las celdas que es capaz de mejorar la eficiencia de la celda. De hecho, esta capa aumenta la eficiencia general de la celda de tres formas clave:

  • reduce la recombinación electrónica;
  • aumenta la absorción de luz;
  • permite una mayor reflectividad interna.

La ganancia de eficiencia de la implementación de la arquitectura PERC para células monocristalinas es de aproximadamente 0,8% -1% absoluto, mientras que el aumento de las células policristalinas es ligeramente menor, de 0,4% a 0,8%.

El PERC ha comenzado recientemente a ingresar al campo comercial, pero se ha convertido rápidamente en el nuevo estándar de la industria para las células monocristalinas. Varios factores han facilitado este notable progreso, incluido el gran cambio del mercado hacia las células monocristalinas, la mayor fiabilidad y productividad de las herramientas de producción, que en consecuencia ha mejorado la calidad de pasivación de las películas, y el impulso real en la investigación y el desarrollo creado por el gran número de los fabricantes ahora activos en la producción de PERC.

Celdas en tándem / híbridas

Las células solares en tándem son pilas de células individuales, una encima de la otra, que convierten selectivamente una banda de luz específica en energía eléctrica, permitiendo que la luz restante se absorba y se convierta en electricidad en la célula de abajo. Las tecnologías fotovoltaicas emergentes incluyen diferentes tipos de células en tándem que se pueden agrupar principalmente en función de los materiales utilizados (por ejemplo, orgánicos, inorgánicos, híbridos) y el tipo de conexión utilizada. El enfoque de células en tándem se utilizó para fabricar las células solares más eficientes del mundo que pueden convertir el 46% de la luz solar en electricidad. Desafortunadamente, estos dispositivos utilizan materiales y procesos de fabricación muy costosos y aún no logran abrirse paso en el mercado.

Peliculas delgadas

Las tecnologías de película delgada a menudo se denominan energía solar fotovoltaica de segunda generación. Los materiales semiconductores que se utilizan para producir células de película delgada tienen solo unos pocos micrómetros de espesor. Estas tecnologías generalmente comprenden dos familias principales:

  • a base de silicio de película fina (silicio amorfo [a-Si] y micromorfo [a-Si / c-Si]);
  • sin base de silicio (perovskitas, telururo de cadmio [CdTe] y diselenuro de cobre-indio-galio [CIGS]).

Estas tecnologías pueden ser más baratas de producir, por lo que se distribuyen a escala comercial, pero históricamente han tenido niveles más bajos de eficiencia.
La tecnología de película delgada para la generación de energía a gran escala ganó importancia alrededor de 2006, cuando el costo del silicio aumentó debido al aumento de la demanda. Los módulos de película delgada, por lo tanto, tenían más sentido económico a pesar de su baja eficiencia.

Sin embargo, en 2012 la caída de los precios del silicio, combinada con la caída de los precios de los módulos de c-Si de alta eficiencia, ha desplazado la producción hacia la tecnología de c-Si. Si bien la energía fotovoltaica basada en silicio cristalino de primera generación ha consolidado su estatus comercial gracias a las mejoras de rendimiento y las reducciones de costos en los últimos años, la participación de mercado general de las tecnologías de película delgada ha ido disminuyendo constantemente desde 2012. Actualmente, la tecnología de película delgada representa solo 5 % del mercado mundial de energía solar fotovoltaica, mientras que los módulos solares basados ​​en silicio continúan representando alrededor del 95% del mercado mundial de módulos fotovoltaicos.

Tecnologías de película fina sin silicona

La Perovskita

Actualmente, la mayoría de las células solares están hechas de silicio; sin embargo, un área a tener en cuenta es el desarrollo de nuevos materiales de células solares. En particular, uno de los materiales más prometedores es la perovskita, un tipo de mineral que es muy bueno para absorber la luz. Los primeros dispositivos fotovoltaicos de perovskita en 2009 convirtieron solo el 3.8% de la energía contenida en la luz solar en electricidad. Sin embargo, debido a que los cristales son muy fáciles de fabricar en el laboratorio, su rendimiento mejoró rápidamente y en 2018 su eficiencia había aumentado al 24,2%, establecida por investigadores de Estados Unidos y la República de Corea, cerca del récord del 26,7%. laboratorio de silicio.

Sin embargo, los registros de eficiencia de la perovskita solo se establecieron en muestras pequeñas. Las perovskitas aún enfrentan algunos desafíos importantes antes de alcanzar la madurez del mercado. Uno de los principales es la duración. Dado que los cristales se disuelven fácilmente, no pueden soportar condiciones de humedad y deben protegerse de la humedad mediante encapsulamiento, como mediante una capa de óxido de aluminio o placas de vidrio selladas.

Otro desafío para los científicos es que, si bien pudieron lograr altos niveles de eficiencia con pequeñas perovskitas, no pudieron replicar este efecto con áreas más grandes. Si se pueden superar estas barreras, las células de perovskita tienen el potencial de cambiar la dinámica y la economía de la energía solar porque son más baratas de producir que las células solares y pueden producirse a temperaturas relativamente bajas, a diferencia del silicio.

Células de seleniuro de cobre, indio, galio (CIGS)


Las células CIGS alcanzaron niveles de eficiencia elevados (22,9%) comparables al silicio cristalino comercial. Sin embargo, la producción de células CIGS puede ser difícil debido a la rareza del indio, así como a la estequiometría compleja y los múltiples pasos para producirlas, lo que limita la producción a gran escala a corto plazo.


Telururo de cadmio (CdTe)


Las células de telururo de cadmio han alcanzado una eficiencia del 21%, muy similar a las CIGS, y se caracterizan por una buena absorción y bajas pérdidas de energía. Las células solares CdTe se fabrican a baja temperatura, lo que hace que su producción sea muy flexible y rentable. Actualmente, CdTe tiene la mayor participación de mercado de todas las tecnologías de película delgada.

Tecnologías modulares avanzadas

Células solares de doble cara

Las células solares de doble cara han estado en desarrollo durante décadas y su proceso de fabricación puede considerarse uno de los más avanzados para los módulos solares en la actualidad. Las celdas de doble cara son capaces de generar electricidad no solo a partir de la luz solar recibida en su frente, sino también de la luz solar reflejada recibida en el lado opuesto de la celda. En el momento de redactar este informe, China mantiene su condición de mayor productor y mercado final de módulos de doble cara. La demanda mundial también ha aumentado, con países como Estados Unidos, Brasil y el Reino Unido aumentando su uso de módulos de doble cara para sistemas fotovoltaicos a escala industrial. Sobre la base de la tendencia actual del mercado, las empresas de doble cara están ampliando su alcance geográfico desde Europa y Japón a los mercados emergentes y en todo el mundo.

La operación de doble cara, facilitada por la adopción de PERC (que impulsa la pluma de doble cara), ofrece un aumento a corto plazo en la eficiencia efectiva de un relativo 5-20%. Esto aumenta la producción de energía de un área determinada del módulo.

Un tipo de módulo de doble cara es el módulo vidrio-vidrio. Se trata de paneles solares con células solares dispuestas entre dos paneles de vidrio. Normalmente se aplican a sistemas a gran escala y proporcionan una solución para entornos hostiles (por ejemplo, altas temperaturas, alta humedad) porque son menos sensibles a la penetración de humedad. La tecnología ya ha estado en desarrollo durante décadas, pero sus altos costos y peso han sido un obstáculo para su desarrollo.


Según el International Technology Roadmap for Photovoltaic (ITRPV), en 2018 la proporción de módulos de vidrio-vidrio fue solo del 5%. Sin embargo, a pesar del crecimiento limitado esperado en el corto plazo, el ITRPV espera que la tecnología se recupere en los próximos 10 años para alcanzar una participación del 40%.
En un módulo fotovoltaico, las células solares están conectadas eléctricamente a cadenas. Esta interconexión, sin embargo, puede provocar pérdidas ópticas en el módulo, lo que afecta la fiabilidad del producto. Para superar esta limitación, se están desarrollando diversos equipos industriales de encordado y soldadura en tecnologías, como semicélulas, tejas solares y barras colectoras múltiples.

Techo solar

Le Tecnologie Fotovoltaiche Convenzionali e Avanzate

Los techos solares son un tipo de solución de energía solar donde los paneles solares están diseñados para parecerse a los materiales convencionales para techos, al mismo tiempo que producen electricidad.
Las tejas solares tienen varias ventajas. Un beneficio clave es que eliminan la necesidad de cinta, conectando celdas como mosaicos. En segundo lugar, se mejora la estética del módulo, ya que los paneles tienen un color homogéneo.
En tercer lugar, a diferencia de una celda estándar, las celdas para módulos de mosaico tienen barras en los extremos opuestos y las celdas se cortan en varias tiras, lo que reduce la corriente y, en consecuencia, la carga.

Fotovoltaica flotante

Fotovoltaico galleggiante. Inaugurato in Francia il più grande impianto  sull'acqua d'Europa | Anter

La demanda de energía fotovoltaica flotante se está expandiendo, especialmente en las islas (y otros países con limitaciones de tierra). Esto se debe a que el costo de la superficie del agua es generalmente menor que el costo de la tierra. Los embalses hidroeléctricos y otros cuerpos de agua artificiales también tienen un potencial enorme.

Por ejemplo, el productor de energía independiente con sede en Noruega Statkraft ha anunciado la construcción de una planta fotovoltaica flotante de 2 MW en Albania. La empresa utiliza una tecnología innovadora que consiste en un dispositivo de flotación de membrana, de 72 metros de diámetro, que puede alojar 500 kilovatios (kW) de energía fotovoltaica. Los módulos vidrio-vidrio están montados sobre rieles especiales, de modo que los módulos estén en contacto permanente con una membrana térmica (diseñada para resistir el estrés y la exposición al sol) ubicada en la superficie del agua. El agua enfría la membrana, que a su vez enfría los módulos y les permite producir más energía. Además, al cubrir la superficie del tanque de agua, las plantas solares flotantes también pueden reducir la evaporación y proteger la calidad del agua del crecimiento excesivo de algas.

Sistemas fotovoltaicos-térmicos (híbridos)

pannelli solari ibridi

Los sistemas solares FV-T combinan la producción de ambos tipos de energía solar en un solo colector. Consiste en un panel solar fotovoltaico combinado con un sistema de refrigeración en el que se hace circular el agente refrigerante (agua o aire) alrededor de los paneles fotovoltaicos para enfriar las células solares. De esta forma, el agua caliente o el aire que sale de los paneles se puede utilizar para aplicaciones domésticas como calefacción doméstica.

Este sistema de refrigeración para paneles fotovoltaicos tiene una doble ventaja: aumenta enormemente la eficiencia de los sistemas fotovoltaicos en el sector eléctrico y también permite la captación de calor del sistema fotovoltaico para otros usos. De hecho, los módulos fotovoltaicos normalmente utilizan un 15-20% de la energía solar entrante, mientras que el resto se pierde en forma de calor. La tecnología FV-T tiene como objetivo aumentar la eficiencia general mediante el uso de esta energía «perdida» para calentar el aire o el agua. Al mismo tiempo, enfría las células fotovoltaicas eliminando el calor del panel.

Agrofotovoltaica

Agrofotovoltaico, così lamponi e pannelli solari convivono

La agro-fotovoltaica (AFV) combina la energía solar fotovoltaica y la agricultura en la misma tierra y consiste en el cultivo de cultivos bajo paneles solares instalados en el suelo.
AFV es una situación en la que todos ganan tanto para cultivos como para paneles solares. Muchos tipos de cultivos alimentarios, como los tomates, crecen mejor a la sombra de los paneles solares. Esto se debe a que se libran de la exposición directa al sol y sufren menos pérdida de agua debido a la transpiración. Esto también reduce el consumo de agua manteniendo el mismo nivel de producción de alimentos. Un beneficio clave de los paneles solares es que aumenta su eficiencia. El cultivo de los cultivos subyacentes reduce la temperatura de los paneles, ya que se enfrían por el hecho de que los cultivos subyacentes emiten agua a través de su proceso de transpiración natural.

Fuente (IRENA-Future of Solar PV 2019)

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Domenico Buoniconti

Domenico Buoniconti

Astrofísico y ecologista, estudio las energías renovables con gran pasión para tener, día a día, una imagen cada vez más clara del mercado energético y de todas las tecnologías listas para establecerse en un futuro próximo.
Domenico Buoniconti

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Astrofísico y ecologista, estudio las energías renovables con gran pasión para tener, día a día, una imagen cada vez más clara del mercado energético y de todas las tecnologías listas para establecerse en un futuro próximo.

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