La Energía fotovoltaica y la Perovskita

¡Buenos días!

Hoy en conmemoración al Día del Sol os traigo un artículo que nos explicará un poquito más en qué, y cómo, convertimos esta energía natural.

¿Qué es la Energía fotovoltaica?

Consiste en aprovechar el calor aportado por el sol y a través de un proceso químico de los módulos generar energía eléctrica. Es un sector muy amplio en nuestro país, cuenta con 500 empresas y está muy asociado a la edificación. Entre 2008 y 2009 fuimos líderes mundiales con esta energía. El plan marcado consiste en reducir los costes e impulsar el I+D.

No confundir con los paneles solares térmicos, que consisten en generar energía térmica a través de un líquido o gas.

Pero esta energía no se ha inventado ahora, en realidad en 1839 el físico francés Edmond Bequerel describió el efecto fotovoltaico. Decía que ciertos materiales podrían producir pequeñas cantidades de corriente eléctrica cuando estaban expuestos a la luz del solar. Ese fue el primer momento de la historia que somos conscientes del nuevo uso que podemos darle a la energía solar.

Pero, estaréis de acuerdo conmigo, que inventarlo o descubrirlo y darle un uso real o útil, es muy distinto. Y ¿qué impulsó el estudio e investigación de esta energía? Entre otras cosas, políticas y económicas, la necesidad de utilizar una energía no peligrosa e inagotable fuera del planeta tierra, para los satélites (principalmente) o naves. Por ello, la primera vez que verdaderamente vemos el uso de esta energía es en 1958 cuando se lanza al espacio un satélite solar con un diseño fotovoltaico conocimos como el Vanguard I.

¿Cuáles son sus componentes?

Ahora que sabemos en qué consiste esta energía, vamos a ver qué elementos esenciales que lo componen.

1. El generador fotovoltaico: Este generador está compuesto por módulos fotovoltaicos que pueden conectarse en serie o en paralelo.

Estos módulos a su vez están compuestos por células que tienen una tensión, voltaje y factor de forma que se eligen en función de la irradiancia, temperatura o área que necesitamos. Los sistemas conectados a la red eléctrica han dado lugar a nuevos tipos de módulos con una potencia cada vez mayor, como pueden ser los módulos vidrio-vidrio, laminados sin marco, entre otros. Tienen espacio para más células, lo que les proporciona más área de captación, eliminan el marco lo que reduce la pérdida y el sobrecalentamiento, estas son unas de las muchas ventajas que se están experimentando actualmente.

2. El inversor: Es un dispositivo electrónico de potencia que convierte la corriente continua generada por los paneles en corriente alterna. Los parámetros principales de este elemento son el voltaje de entrada y salida, la potencia de salida, la eficiencia y el tamaño y peso. Dentro de los inversores tenemos varios tipos: Los inversores autónomos (almacenar en baterías) y los inversores de conexión a red.

3. La estructura soporte: Esta estructura protege el generador FV para resistir todo el tiempo posible. Estas estructuras tiene que ser estables, rígidas y durables para que aguanten las inclemencias del tiempo entre otras circunstancias. Hay varios tipos de estructuras, las que están fijas y tienen un ángulo fijado en función de la latitud del lugar; y las que funcionan con seguimiento solar, es decir, se mueven siguiendo al sol y les proporciona una mayor captación y radiación solar.

4. El cableado y los elementos de seguridad: El dimensionado adecuado elimina las posibles pérdidas energéticas que le pueda afectar al sistema, como es lógico, el cableado debe ser adecuado para exteriores. Todos los parámetros vienen definidos por el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión (REBT).

5. Baterías: Es un dispositivo que permite transformar la energía eléctrica generada en energía química que nos permitirá recuperar la mayor parte de la electricidad almacenada. Este elemento es el único de la lista que puede ir o no incluido en el sistema, dependiendo de si tenemos un sistema autónomo o conectado a la red.

Materiales usados para los módulos fotovoltaicos

El tema principal que quiero tratar y del cual parte la idea de este artículo es el tipo de materiales que se utilizan para los módulos fotovoltaicos. La idea me surge de un artículo publicado en la Revista Energética del mes de Mayo de 2018.

Los materiales más efectivos para estos sistemas son los semiconductores y como cada material tiene una respuesta distinta respecto a la incidencia de luz se han realizado pruebas con los materiales más favorables. Esto es lo que se conoce como rendimiento teórico del material, que en el silicio se sitúa en el 23%, es decir, tan solo aprovecha como máximo el 23% de la energía que incide en dicho material.

De las opciones que tenemos en la naturaleza los semiconductores más interesantes son el Silicio y el Germanio por disponer de sólo 4 electrones de valencia. En general se ha apostado más por el Silicio en el ámbito industrial y por lo tanto la tecnología necesaria para obtener Silicio puro al 99,99% está muy desarrollada.

¿Porque se ha elegido este material? Por la abundancia que tiene ( un 27,2% de la corteza terrestre), está distribuida por distintos países y por su rendimiento. Como inconvenientes tenemos que no se presenta en un estado puro, por lo tanto conlleva un proceso de transformación; y que su rendimiento es de un 23% como hemos dicho anteriormente, lo cual es la mejor cifra entre las existentes pero no es un número muy elevado.

Tipos de células de Silicio

Depende de la estructura interna y entre los tipos destacan tres grandes grupos, que son los tipos que se utilizan habitualmente dependiendo de las circunstancias:

- Monocristalinas

Son las células fabricadas a partir de silicio puro. Su estructura está completamente ordenada con un comportamiento uniforme, pero su coste de producción es elevado. El mayor inconveniente de este tipo de célula es su comportamiento frente a la temperatura, entre otras cosas por su color oscuro.

- Policristalinas

Son las células de estructura ordenada por regiones que presenta enlaces irregulares entre distintas, esto reduce su rendimiento. La fabricación es similar al anterior pero con menos fase de cristalización, esto implica menos pureza pero inferior coste de fabricación. Su comportamiento frente a la temperatura es superior que el anterior, lo compensa con su déficit de eficiencia.

- Capa fina o thinfilm

La tecnología de fabricación es completamente distinta, son una o varias capas delgadas de material sobre un soporte semirrígido. En función del material empleado puede tener mayor eficiencia: en el caso del Silicio Amorfo (Si-a) tenemos entre 6-10% de eficiencia, para el Teluro de Cadmio (CdTe) tenemos entre 9-11% pudiendo alcanzar el 14%; y finalmente tenemos el Cobre Indio Galio (CIS) que alcanza entre 10-12% de eficiencia.

En este caso presenta una estructura desordenada lo que disminuye su rendimiento, como ya hemos visto, pero su coste es también muy inferior. La gran ventaja de este material es su maleabilidad y su resistencia a las altas temperaturas, esto le hace un gran material para integrarlo en la arquitectura aunque su baja eficiencia obliga a ocupar más espacio para cubrir la misma potencia que el resto de los tipos.

Avances en la actualidad

En la revista energética, encontramos la siguiente información. Una empresa llamada Onyx Solar detro del Proyecto ESPResSo financiado por la Unión europea, empresa internacional con sede en España, Estados Unidos y China, está investigando un nuevo material para las células fotovoltaicas, la perovskita.

Este material fue descubierto en 1839 en los Monstes Urales en Rusia. El objetivo del proyecto es superar la limitaciones actuales de la tecnología a través de materiales alternativos que sean rentables y que impliquen nuevos conceptos y arquitecturas a nivel de célula.

Con este nuevo material, quieren demostrar una eficiencia superior al 24% y una degradación de eficiencia menor al 10% sometiéndolo a 85ºC. Pero aún queda por lograr implantarla en la arquitectura, se pretende integrar en módulos de fachada y se prevé a medio y largo plazo que este nuevo material permita el desarrollo de nuevas y mejores soluciones.

Investigando un poco, puedo añadir que se estima una producción más sencilla y barata que los materiales actuales y su eficiencia es incluso superior a la mejor de las anteriores por lo tanto podríamos decir que este material puede situarse a la cabeza tanto en precio de producción como en eficiencia. Pero no todo es bueno, el problema que intuyo para este material es la escasez de existencias. Es un material raro de encontrar en la corteza terrestre por ser mezcla (es una cerámica que es el tipo más abundante, pero en esa composición no es tan sencillo encontrarlo).

En mi opinión creo que es una gran noticia que sigamos buscando elementos y materiales que nos ayuden a mejorar la eficiencia y costes de producción lo que nos permitiría llevar estos sistemas a otros países más desfavorecidos. ¿Será este material la revolución de los paneles fotovoltaicos? Es posible, esperemos a ver qué sucede.