Célula fotovoltaica o solar

Definición

Una celda fotovoltaica (PV) es un dispositivo semiconductor que convierte la luz en energía eléctrica. La tensión inducida por la celda PV depende de la intensidad de la luz incidente. El término "fotovoltaico" proviene de su capacidad para generar tensión ("voltaico") a través de la luz ("foto").

En los materiales semiconductores, los electrones están unidos por enlaces covalentes. La radiación electromagnética consiste en pequeñas partículas de energía llamadas fotones. Cuando los fotones golpean el material semiconductor, los electrones se energizan y comienzan a emitir.

Estos electrones energizados se conocen como fotoelectrones, y el fenómeno de emisión de electrones se llama efecto fotoeléctrico. El funcionamiento de una celda fotovoltaica se basa en el efecto fotoeléctrico.

Construcción de la Celda Fotovoltaica

Se utilizan materiales semiconductores como arseniuro, indio, cadmio, silicio, selenio y galio para fabricar celdas PV. El silicio y el selenio son los más utilizados para construir las celdas.

Tomemos como ejemplo la estructura de una celda fotovoltaica de silicio:

• La superficie superior de la celda está hecha de una capa delgada de material p-tipo para que la luz pueda entrar fácilmente en el material.

• Se colocan anillos metálicos alrededor de los materiales p-tipo y n-tipo, que actúan como sus terminales de salida positiva y negativa, respectivamente.

Las celdas PV individuales se fabrican a partir de materiales semiconductores monocristalinos o policristalinos.

Las celdas monocristalinas se cortan de un solo lingote de cristal, mientras que las celdas policristalinas se producen a partir de materiales con múltiples estructuras cristalinas.

La tensión y corriente de salida de una sola celda son bastante bajas, generalmente alrededor de 0.6V y 0.8A, respectivamente. Para mejorar la eficiencia, las celdas se combinan en diversas configuraciones. Hay tres métodos principales para conectar celdas PV:

Combinación Paralela de Celdas PV

En una configuración paralela, la tensión a través de las celdas permanece inalterada, mientras que la corriente total se duplica (o aumenta proporcionalmente con el número de celdas). La curva característica de las celdas PV conectadas en paralelo se muestra a continuación.

Combinación Serie-Paralela de Celdas PV

En una configuración serie-paralela, tanto la tensión como la corriente aumentan proporcionalmente. Los paneles solares se construyen típicamente utilizando esta combinación de celdas para lograr una mayor potencia de salida.

Un módulo solar se crea conectando celdas solares individuales. La asamblea de múltiples módulos solares se denomina panel solar.

Funcionamiento de la Celda PV

Cuando la luz incide sobre un material semiconductor, puede pasar a través de él o reflejarse. Las celdas PV están hechas de semiconductores—materiales que no son perfectos conductores ni aislantes. Esta propiedad las hace altamente eficientes para convertir la energía lumínica en energía eléctrica.

Cuando el semiconductor absorbe luz, sus electrones comienzan a emitir. Esto ocurre porque la luz consiste en pequeños paquetes de energía llamados fotones. Cuando los electrones absorben fotones, se energizan y comienzan a moverse dentro del material. Un campo eléctrico interno fuerza a estas partículas a moverse en una dirección, generando una corriente. Los electrodos metálicos en el semiconductor permiten que la corriente fluya hacia fuera.

La figura a continuación muestra una celda PV de silicio conectada a una carga resistiva. La celda consta de capas de semiconductores de tipo P y N unidas para formar una unión PN.

La unión es la interfaz entre los materiales de tipo P y N. Cuando la luz incide en la unión, los electrones comienzan a moverse de una región a otra.
¿Cómo se Instalan las Celdas Solares en una Planta Solar?
Se utilizan dispositivos como rastreadores de punto de máxima potencia (MPPT), inversores, controladores de carga y baterías para convertir la radiación solar en tensión eléctrica.

Rastreador de Punto de Máxima Potencia (MPPT)

Un MPPT es un controlador digital especializado que rastrea la posición del sol. Dado que la eficiencia de la celda PV depende de la intensidad de la luz solar, que varía durante el día debido a la rotación de la Tierra, los MPPT ajustan la orientación del panel para maximizar la absorción de luz y la potencia de salida.

Controlador de Carga

Un controlador de carga regula la tensión del panel solar y evita la sobrecarga o sobretensión de la batería, asegurando un almacenamiento de energía seguro y eficiente.

Inversor

Un inversor convierte la corriente directa (DC) de los paneles en corriente alterna (AC) para su uso con electrodomésticos estándar, que generalmente requieren energía AC.