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Fuentes Renovables de Energía
• Energía solar-fotovoltaica:
• Celdas Solares: tipos, características y
métodos de fabricación
• El módulo solar: componentes
• *Materiales Semiconductores
• *Materiales extrínsecos: Tipo n y tipo p
Estructura átomica: a) Ge, b) Silicio y c) Unión
covalente del átomo de silicio.
El Silicio es, después del oxígeno, el
elemento más abundante de la corteza
terrestre; la combinación de ambos, la
sílice SiO(2), constituye aproximadamente
60% de la misma.
Tecnología de fabricación de las
celdas solares de silicio
Las celdas solares más comunes utilizan como material
semiconductor el silicio, sea en forma monocristalina o
bien multicristalina. No debe, sin embargo olvidarse que
existen otros materiales con los que también se
construyen otras celdas solares. Esencialmente pueden
clasificarse en materiales amorfos (como el silicio
amorfo hidrogenado), en materiales policristalinos (como
el teluro de cadmio) y materiales monocristalinos (como
el propio silicio).
La tecnología del silicio es la más extendida, habiéndose
beneficiado de los avances de la microelectrónica y es la
que domina el mercado actual de módulos fotovoltaicos.
Dentro de la tecnología del silicio conviene
distinguir entre la que se utiliza en los
laboratorios de investigación , dirigida, a
menudo, a explorar los límites de
eficiencia alcanzables, y lo que en la
práctica usa la industria, donde la
sencillez y el bajo costo son prioritarios.
Distincion entre silicio cristalino y silicio
monocristalino
Fases de fabricación
convencional de los módulos de
silicio.
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En el proceso de fabricación convencional de los módulos de
silicio cristalino pueden distinguirse las cuatro fases siguientes:

1) Obtención de silicio a partir de arenas de cuarzo.

2) Cristalización y laminación del silicio.

3) Transformación de las obleas de silicio en celdas.

4) Interconexión de celdas y encapsulado en módulos.

Conviene tener presente que, en gran
medida, el origen del alto costo de la energía
fotovoltaica no está en causas puramente
técnicas sino en los márgenes comerciales.
El precio de mercado no es suficiente para
hacer una evaluación imparcial de una
determinada tecnología.
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
Hasta ahora la industria fotovoltaica ha satisfecho
aproximadamente un 70% de sus necesidades de
silicio con los excedentes de la industria
microelectrónica gracias a una saturación en la
demanda de ésta.
Por ejemplo, la producción mundial de silicio de
grado semiconductor en 1990 fue de 7,700
toneladas métricas, de las que, aproximadamente,
690 se destinaron a la industria fotovoltaica.
Proceso típico de fabricación de
celdas de silicio

Para construir una celda solar a partir de una lámina de silicio es
preciso someter ésta diversos tratamientos térmicos y químicos, y
depositar sobre ella diversos materiales. El proceso de fabricación
típico consta de los siguientes pasos:

a) Preparación de las superficies.

b) Formación de la unión p-n en la cara frontal.

c) Creación de una región p + en la cara posterior.

d) Formación de los contactos frontal y posterior.

e) Deposición de una capa antirreflectante.
Sección transversal de una celda de silicio comercial típica
Tipografía superficial en forma de micropirámides y efecto
de disminución de la reflectividad


Las ventajas que proporciona una superficie
esculpida (llamada texturada en la terminología
fotovoltaica) son:
a) Disminuye la reflectividad de la superficie de la
oblea- En efecto, una parte de la luz incidente
sobre ella se refleja debido al cambio de índices
de refracción entre el silicio y el material que lo
rodea (aire, vidrio, etc.). Sin embargo, por el
hecho de texturar, mucha de la luz reflejada en
unas caras de las pirámides incide de nuevo en
otras y se absorbe en el silicio. Las superficies
texturadas tienen una apariencia oscura,
especialmente cuando están bajo un vidrio, lo que
indica que reflejan muy poca luz.

c) Hace que la luz se absorba más cerca de la unión
p-n, lo que incrementa la eficiencia de colección de la
celda.

b) Confina la luz dentro del semiconductor

Tipos de celdas solares:
a) celdas convencionales
b) celdas de contactos enterrados
c) celdas MIS
(Metal-Insulator-Semiconductor)
d) Celdas bifaciales
Estructura interna de la celda de contactos enterrados
Las celdas de contactos enterrados
fabricadas industrialmente, con material CZ y
100 cm cuadrados de área, tiene una
eficiencia próxima al 18%. En comparación,
recuérdese que los modulos convencionales
están en el rango del 12 al 15% para material
monocristalino y del 10 al 13% para silicio
multicristalino.
Estructura de la celda MIS
La celda MIS difiere de las convencionales
en que no incorpora una unión p-n
difundida en su cara frontal. En su lugar
utiliza una capa fina de material aislante
(óxido de silicio).
Las obleas de silicio sobre las que se
forma esta estructura son monocristalinas
y de tipo p.
Celdas bifaciales:
Como su propio nombre lo indica, estas celdas son
capaces de transformar en electricidad no sólo la
energía que reciben por su cara frontal, sino también la
que reciben por su cara posterior.
Comercializadas por vez primera en 1982, por la
compañía española Isofotón, estas celdas han sido
posteriormente incorporadas al catálogo de otros
fabricantes. Sin embargo no han gozado de mucha
difusión, quizás, como consecuencia de que su empleo
exige la combinación con alguna superficie reflectora
para iluminar su cara posterior. En algunos casos
particulares (nieve, paredes blancas, etc.) tales
superficies existen de manera natural, pero en otros
requieren de preparaciones específicas que pueden
llegar a ser costosas.
Estructura de una celda bifacial
El módulo fotovoltaico
Para hacer posible su manejo práctico, los fabricantes
expiden al mercado las celdas solares en grupos de
ellas, asociadas eléctricamente entre sí y encapsuladas
en un único bloque que la costumbre ha dado en llamar
panel o módulo fotovoltaico, y que constituye el
elemento básico o ladrillo con el que se construyen los
generadores fotovoltaicos.
El módulo fotovoltaico proporciona los niveles de voltaje
y corrientes adecuados a cada aplicación, protege a las
células frente a las agresiones de los agentes de la
intemperie, las aísla eléctricamente del exterior y, por
último, da rigidez mecánica al conjunto.
El tiempo de vida de los módulos, en condiciones
normales de operación, debe ser superior a 20 años y
viene determinado por la duración del encapsulado
Que debe ser impermeable al agua y resistir la fatiga
térmica y la abrasión. Otras características de interés
son la facilidad de instalación y limpieza, la disipación de
calor de las celdas y el bajo costo.
El mercado ofrece distintos tipos de módulos. El más
característico está constituido por entre 30 y 36 celdas
solares de silicio cristalino, todas de igual tamaño,
asociadas en serie y encapsuladas entre una lámina de
vidrio o de tedlar que cubre la cara posterior. En función
del tamaño de las celdas, la superficie de un módulo
típico varía entre 0.1 y 0.5 metros cuadrados. Presenta
dos bornes de salida, positiva y negativa y, a veces,
alguna intermedia para permitir la instalación de diodos
de protección.
Son varios los países y organismos que han implantado
normativas de homologación relativas a la durabilidad de
los módulos fotovoltaicos. Los países de la Comunidad
Europea disponen de la norma CEC-Spec 503 que
puede acreditarse en laboratorios asignados para tal fin.
Estas normas no son, en general, de obligado
cumplimiento.
Constitución de un módulo fotovoltaico
Componentes del módulo fotovoltaico
La cubierta frontal que es un vidrio con bajo contenido
en hierro, para minimizar la absorción de la luz por el
vidrio.
El encapsulante, necesario para la laminación; se trata
de un polímero transparente, aislante y termoplástico,
normalmente EVA (Etileno-Vinil-Acetato)
Las celdas solares y las cintas metálicas que las unen
La cubierta posterior, normalmente una película Tedlar u
otro vidrio.
Todas estas capas son laminadas simultáneamente
aplicando calor, vacío y presión.
Recientemente se ha detectado una tendencia del EVA
a colorearse y perder transparencia, debido a la
degradación de los aditivos destinados a absorber la
radiación ultravioleta. El fenómeno es serio únicamente
cuando los módulos son utilizados en condiciones de
elevada temperatura e iluminación.