Opinion · Un poco de ciencia, por favor

La energía solar fotovoltaica, en la vanguardia frente al cambio climático

Ignacio Mártil
Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

Hoy comienza la Cumbre de París para tratar de frenar el cambio climático, cada vez más amenazante. Todos los expertos en clima coinciden en que uno de las acciones clave para lograrlo es la generalización del uso de la energías renovables en general y de la energía solar fotovoltaica (en lo que sigue, ESF) en particular.

Esta fuente de energía ha suscitado un enorme interés en los últimos tiempos por causas ajenas a la ciencia. El reciente Real Decreto de autoconsumo eléctrico y la penalización a las energías renovables por parte del actual gobierno del Partido Popular son, entre otras, algunas de las razones que justifican ese interés. En este artículo haré una descripción de cuáles son los fundamentos científicos de las células solares, pilares en los que se sustenta esta fuente de energía, así como unos breves comentarios acerca de las tecnologías principales con las que se fabrican.

1. Fundamentos de las células solares
La conversión de la energía solar en energía eléctrica se realiza utilizando las propiedades de unos dispositivos electrónicos conocidos como células solares. Básicamente, un célula solar es un dispositivo de área moderada (~250 cm²) que se fabrica con una clase de materiales denominados semiconductores, que están presentes en nuestra vida cotidiana desde hace muchos años. Sin ellos, no serían posibles aparatos tales como los ordenadores, los teléfonos móviles, los televisores y un largo etcétera.

Las células solares se construyen habitualmente con silicio, ya que más del 90% de las que se encuentran en el mercado se fabrican con él. El resto del mercado lo componen dispositivos realizados con otros semiconductores, principalmente CdTe y CuInSe2. Los paneles fotovoltaicos construidos con esos semiconductores se utilizan para generar electricidad en aplicaciones terrestres.

En el ámbito de las aplicaciones espaciales, las células solares que integran las baterías que suministran energía a los satélites, se fabrican con semiconductores compuestos por elementos de las columnas III y V de la tabla periódica: GaAs, GaInP, AlInP, GaInAs, etc.

Una célula solar básica de silicio (las fabricadas con los otros semiconductores son similares) se construye mediante la unión de dos zonas de ese material. Durante el proceso de fabricación, en cada una de esas zonas se incorporan de manera intencionada otros elementos químicos, generalmente fósforo en un lado de la unión (que se denomina electrodo negativo o n-Si) y boro en el otro (el electrodo positivo o p-Si). La célula solar así construida es un diodo y al iluminarla con radiación solar se produce el denominado efecto fotovoltaico. En esencia consiste en que la energía de la radiación solar incidente se absorbe por la célula solar, a raíz de lo que se generan portadores de carga eléctrica en el semiconductor, lo que trae como consecuencia inmediata la aparición de una corriente eléctrica. Simultáneamente, la circulación de la corriente por la célula hace que se genera un voltaje entre sus extremos. Como resultado del proceso, la célula produce una tensión y una corriente eléctricas, que es lo que se necesita para obtener potencia eléctrica (la potencia eléctrica se obtiene como producto de ambas magnitudes) y energía al hacerla funcionar un determinado tiempo (la energía es el producto de la potencia por el tiempo de funcionamiento). Por lo tanto, la célula solar convierte la radiación emitida por el sol y absorbida por ella en energía eléctrica. La siguiente figura muestra el esquema y el aspecto exterior de una célula solar comercial de silicio:

Solar cell + esquema

Célula solar comercial. Izquierda, estructura física; derecha, aspecto visual

Una célula solar produce poca potencia eléctrica, entre 2 y 3 vatios (W), por lo que debe unirse adecuadamente con otras para hacer módulos fotovoltaicos (entre 30 y 50, dependiendo del tipo de módulo y del fabricante) y así obtener potencias más elevadas. Un módulo, en condiciones óptimas de iluminación y dependiendo del tamaño, suministra entre 100 W y 250 W. A su vez, los módulos se integran en paneles, agrupando estos del orden de 10 a 30 módulos.

La eficiencia de conversión de la energía solar en energía eléctrica de las células solares está comprendida hoy en día en el margen 10-25%, dependiendo del semiconductor que se utilice, de la calidad del mismo y de la tecnología de fabricación. La siguiente figura detalla las eficiencias de los diferentes tipos de células solares que se fabrican en la actualidad. Se distingue entre células de laboratorio (habitualmente, de tamaño reducido) y células integradas en módulos comerciales, así como las diferentes tecnologías y materiales semiconductores empleados:

Imagen4

Eficiencia de células solares según la tecnología y el semiconductor empleados en su fabricación. La gran mayoría de los paneles comerciales corresponden a las categorías mono-Si y multi-Si de la figura. Fuente: Photovoltaic Report 2015. Fraunhofer Institut ISE (Alemania)

Debido tanto al tamaño como a la eficiencia, si se quieren emplear células solares para el suministro de energía eléctrica a un hogar equipado con todos los electrodomésticos habituales, es preciso utilizar del orden de 6-8 m² de paneles solares por persona (aunque esto varía mucho según la localización geográfica). De otra parte, si lo que se pretende es obtener energía eléctrica en cantidades equiparables a las que producen las centrales térmicas convencionales, es preciso utilizar cientos de miles de paneles solares y por lo tanto, millones de células solares, de ahí que los conocidos como “huertos solares” necesiten instalarse utilizando grandes extensiones de terreno, siendo este uno de los principales inconvenientes que tiene la utilización a gran escala de la ESF.

Las siguientes imágenes muestran una instalación típica de autoconsumo eléctrico familiar (izquierda) y el huerto solar operativo más grande del mundo, Topaz Solar Farm, (derecha; 550 MW de potencia instalada) situado en el condado de San Luis Obispo (California, USA), que ocupa una extensión de 25 km², similar al casco urbano de la ciudad de Logroño:

Imagen1

Izquierda: instalación de autoconsumo eléctrico de tamaño moderado, con 12 módulos fotovoltaicos. Derecha: el huerto solar Topaz, en una imagen tomada desde el satélite Landsat 8. Dispone de 9 millones de módulos fotovoltaicos [1]. Obsérvese el detalle de la escala, a la derecha de la imagen.

2. Tecnología de fabricación de células solares de silicio
En la actualidad, más del 90% del mercado fotovoltaico está dominado por las células solares de silicio, repartido en proporciones similares entra las denominadas células mono-Si y las multi-Si; el mono-Si es un silicio de elevada calidad y el multi-Si es un material más defectuoso. La diferencia esencial entre las células solares fabricadas con mono-Si y las realizadas con multi-Si es que en este segundo caso las células solares son menos eficientes que las de mono-Si (ver la segunda figura del artículo), pero más económicas.

El proceso de obtención, tanto del mono-Si como del multi-Si, es el paso más costoso de los que integran la fabricación de una célula solar, tanto en términos económicos como energéticos. Aproximadamente el 60% del coste económico y el 75% del coste energético de una instalación fotovoltaica, se invierte en la obtención del silicio. Describo algún detalle a continuación:

Para fabricar células solares, lo primero que se necesita es disponer de silicio purificado. El silicio es uno de los elementos más abundantes en la corteza terrestre, pero se encuentra en esta formando compuestos, principalmente óxidos y silicatos. Estos hay que descomponerlos para obtener el silicio , que después hay que purificar (debe ser 99.999999% puro) para que sirva de material de partida en la fabricación de las células solares. La descomposición de los óxidos y silicatos y la posterior purificación son procesos muy costosos desde el punto de vista energético.

Una vez purificado,, el silicio se somete a un proceso de obtención de lo que se conocen como wafers (obleas) donde se fabrica la célula solar. El proceso es conocido como Czochralski, debido al científico polaco (de apellido impronunciable) Jan Czochralski, que lo desarrolló en 1916 mientras investigaba las propiedades de ciertos metales. El proceso es complejo y su descripción queda fuera de los objetivos de este artículo [2].

Los costes de la tecnología de fabricación de las células solares fueron durante décadas el principal freno al desarrollo de la ESF, pero la economía de escala que ha generado su amplia utilización en todo el mundo ha propiciado un drástico abaratamiento de los mismos durante la última década. Hoy en día, el kWh fotovoltaico es plenamente competitivo en comparación al obtenido con tecnologías basadas en combustibles fósiles, tal y como he analizado con detalle en otro artículo. El avance de la ESF es imparable, ya que cada vez más países apuestan por las fuentes de energía renovables. El reto de frenar el cambio climático debe impulsar su desarrollo de manera generalizada en todo el planeta.

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[1] El huerto solar Topaz se puede ver mediante Google Maps; está situado en las coordenadas 35°23′N, 120°4′W

[2] El lector interesado puede consultar este artículo, donde se hace una descripción del método Czorchalski. Y en este vídeo se describe de manera gráfica y con cierto detalle el proceso de obtención del silicio con este procedimiento.