Células fotovoltaicas: qué son, cómo funcionan, tipos, características

Las células fotovoltaicas, también conocidas como células solares, fotocélulas o células fotoeléctricas, son componentes electrónicos que convierten directamente la luz en electricidad. En esencia, una célula fotovoltaica es un dispositivo semiconductor delgado que produce corriente eléctrica cuando se expone a la luz solar, aprovechando el efecto fotovoltaico. Estas células son los componentes básicos de los paneles solares y de los sistemas fotovoltaicos, y permiten generar energía limpia y renovable a partir de la luz del sol. A continuación, ofrecemos una descripción detallada, técnica pero accesible, de qué son las células solares, cómo funcionan, los distintos tipos y materiales, su eficiencia y sus aplicaciones en el mundo de la energía fotovoltaica.

¿Qué es una célula fotovoltaica y para qué se utiliza?

Una célula fotovoltaica (célula FV), también llamada célula solar, celda solar, o fotocélula, es un dispositivo electrónico que convierte la energía de la luz directamente en electricidad mediante el efecto fotovoltaico. Las células solares son la unidad básica de un panel solar, responsables de generar energía eléctrica a partir de la luz solar.

Cuando los fotones de la luz inciden sobre una célula solar, ésta produce un flujo de electrones que puede aprovecharse como electricidad. Individualmente, una sola célula solar de silicio monocristalino tiene un tamaño medio de entre 156x156 mm hasta 210x210 mm y con una potencia de entre 5W hasta 11W.

Las células fotovoltaicas se utilizan para generar energía limpia y son una tecnología básica para la producción de energía renovable con mayor crecimiento a nivel mundial.

¿Cómo funciona una célula fotovoltaica para generar electricidad?

Una célula solar genera electricidad de corriente continua a través del efecto fotovoltaico, en 3 pasos.

1. Absorción de la luz: cuando los fotones, inciden sobre el material semiconductor de una célula fotovoltaica, ésta absorbe algunos de estos fotones. La energía de la luz absorbida se transfiere a los electrones del semiconductor.
2. Liberación de electrones: La energía del fotón golpea los electrones de los átomos del semiconductor, liberándolos. Por cada electrón liberado, queda un “hueco” (una ausencia de electrones con carga positiva). Así, la luz crea pares de electrones libres y huecos en el material semiconductor de la célula.
3. Creación de corriente: La estructura interna de la célula solar, que consta de una unión P-N que crea un campo eléctrico, obliga a los electrones libres a moverse en la dirección desde el menor potencial eléctrico a mayor potencial. Este campo impulsa los electrones libres desde la capa P a la N, separándolos de los huecos y llevándolos a los contactos metálicos de la célula. Los contactos metálicos de la célula recogen los electrones en movimiento y, cuando se conecta un circuito externo, los electrones fluyen como electricidad de corriente continua (CC).
   En esencia, la célula solar se comporta como una fuente de tensión cuando se ilumina, pues la luz crea una diferencia de potencial y una corriente eléctrica útil gracias a la separación de cargas provocada por la unión p-n.

¿Cuál es la diferencia entre una célula, un panel solar y un módulo fotovoltaico?

Las células forman los paneles solares (módulos fotovoltaicos), los paneles conectados entre sí forman un conjunto y, junto con otros componentes, constituyen un sistema solar completo.

Es habitual confundir términos como célula, panel, módulo y sistema, por lo que a continuación explicamos la jerarquía en orden.

• Célula fotovoltaica (célula solar): es la unidad semiconductora individual que convierte la luz en electricidad. Es el componente elemental que define la tensión y potencia de partida en un panel solar. Una célula de silicio típica produce un voltaje en torno a 0,5 V y entre 5W y 11W, valores que determinan el escalado de los módulos.
• Panel solar o módulo fotovoltaico: Un panel solar (también llamado placa solar coloquialmente) es un conjunto de células solares interconectadas eléctricamente y montadas en un marco protector. Docenas de células y medias células (60, 72, 144 o más en los paneles modernos) se conectan en serie y en paralelo dentro de un panel para proporcionar una tensión y una corriente. Las células están encapsuladas para protegerlas del entorno. Al conectar muchas células entre sí, un módulo solar produce una potencia de salida suficiente para aplicaciones prácticas, y los diseños modernos incluyen variantes como las células de medio corte para optimizar el rendimiento. Por ejemplo, un módulo de 60 células o 120 medias-células puede producir entre 200 y 400 vatios en condiciones STC.
• Matriz fotovoltaica: Este término se refiere a un grupo de paneles solares/módulos conectados entre sí (string), y que trabajan de modo independiente de otros strings. En instalaciones más grandes, se conectan varios paneles en una matriz para aumentar la potencia de salida. Al conectar los paneles en serie, el sistema alcanza un voltaje más alto y/o al conectarlos en paralelo, alcanza una corriente más alta, lo que permite un diseño flexible del voltaje y la potencia del sistema en su conjunto.
• Sistema fotovoltaico: Un sistema fotovoltaico abarca el conjunto completo de componentes necesarios para generar electricidad consumible a partir de la energía solar. Esto incluye uno o más conjuntos de matrices de paneles solares, así como otros componentes como la estructura de montaje, el cableado, los inversores que adecúan y sincronizan la energía para su uso en la red y las baterías si el sistema acumula energía para consumo posterior.

¿Qué tipos de células fotovoltaicas existen y cuáles son sus diferencias?

Las células solares se pueden clasificar según el material y según la tecnología utilizados para fabricarlas, lo que influye en su eficiencia, coste y aspecto. Los principales tipos de células fotovoltaicas son las células de silicio cristalino que son las más comunes y las células de capa fina, además de algunas nuevas tecnologías emergentes de alta eficiencia.

Las principales categorías de células fotovoltaicas según su material y tecnología son las siguientes.

Células solares según su material de construcción

Células de silicio cristalino: monocristalinas y policristalinas

Las células de silicio cristalino (c-Si) son las dominantes en la industria solar y representan alrededor del 95% de todas las células solares vendidas. Estas células están fabricadas con obleas de silicio e históricamente tienen 2 variantes.

1. Células de silicio monocristalino

Son de alta eficiencia, con aspecto premium, y coste más elevado. Se fabrican a partir de un solo cristal continuo de silicio, lo que facilita el flujo de electrones y esto implica una mayor eficiencia (alrededor del 23-24% o más, a nivel comercial). Suelen tener un color negro uniforme y esquinas recortadas por la forma de corte del lingote. Su alto rendimiento y estética elegante las hacen ser las más utilizadas en la actualidad. Su estructura interna puede verse en la siguiente imagen.

2. Células de silicio policristalino

Menor coste, eficiencia algo inferior, estética azul moteada. Fabricadas a partir de múltiples cristales de silicio solidificados, lo que las hace más baratas de producir, aunque con esto implica una ligera pérdida de eficiencia por los límites entre cristales. Se reconocen por su color azul eléctrico y su textura como granulada. Eran muy utilizadas por su bajo coste y rendimiento aceptable, y fueron durante años las más comunes en la industria solar aunque actualmente han sido desplazadas por las monocristalinas. Su estructura interna puede verse en la siguiente imagen.

Células de capa fina (thin-film)

Las células solares de capa fina son una amplia categoría de tecnologías fotovoltaicas que se caracterizan por capas muy finas de material absorbente de la luz depositadas sobre un sustrato (como vidrio, plástico o metal). En lugar de cortar obleas de un lingote de silicio, las células de capa fina utilizan un proceso de deposición para depositar capas semiconductoras de solo unos pocos micrómetros de espesor. Gracias a ello, los paneles de capa fina pueden ser flexibles y ligeros, y tienen un aspecto uniforme sin células visibles.

Su eficiencia típica comercial es menor que la de c-Si, por lo que requieren más área para igual potencia.

• Tecnologías destacadas: CdTe y CIGS (calcopiritas basadas en Cu–In–Ga–Se).

• El silicio amorfo (a-Si:H) también se fabrica como thin-film para productos ligeros o de interior.

Su estructura interna puede verse en la siguiente imagen.

Al utilizar poco material, las células de película fina pueden ser más baratas de producir a gran escala y pueden fabricarse ligeras o flexibles. Los laminados de película fina pueden aplicarse a superficies curvas, integrarse en materiales de construcción como ventanas y tejas o incluso utilizarse en aparatos electrónicos portátiles.

El principal inconveniente de las células thin-film es su menor eficiencia en comparación con el silicio cristalino. Muchos paneles de película delgada tienen eficiencias en el rango del 10 al 15% aunque los mejores pueden llegar al 20%. Esto obliga a instalar superficies sensiblemente mayores para obtener la misma potencia, por ejemplo en cubiertas residenciales donde el espacio es limitado. Su durabilidad a largo plazo suele ser ligeramente inferior pues se degradan más rápidamente con el tiempo.

Células solares según su tecnología

En los últimos años han surgido varias innovaciones y diseños de células de alta eficiencia que han ido mejorando el rendimiento de los paneles solares. Desde los inicios del año 2010, cuando se comenzó a comercializar la tecnología PERC, hasta la actualidad con innovaciones aún por explotar como la Perovskita.

A continuación se resumen las tecnologías actuales y las emergentes de células fotovoltaicas de alta eficiencia.

• PERC: Las células PERC son tipo P e incluyen una capa dieléctrica trasera que refleja la luz no absorbida y reduce la recombinación de electrones, aumentando la eficiencia en un 1-2% (llegando a 20-21%) sobre las monocristalinas convencionales.
• Células de medio corte: Consisten en células solares monocristalinas (PERC, TOPCon y HJT) cortadas a la mitad y conectadas en 2 matrices para reducir pérdidas por resistencia y mejorar la resistencia a sombras. Al dividirse en dos matrices en paralelo dentro del panel, la sombra afecta menos su rendimiento. Ofrecen una mayor longevidad y rendimiento, aunque añaden un incremento de soldaduras problemáticas.
• Células IBC: son células tipo N con todos los contactos eléctricos se trasladan a la parte trasera, eliminando sombreado frontal y maximizando la absorción de luz. Ejemplo destacado es Maxeon y FuturaSun Zebra, con eficiencias de célula alrededor del 25% y paneles sobre el 22 o 23%. Usan silicio de alta pureza y tienen alta longevidad. Son complejas y caras de fabricar, siendo una opción premium de alto rendimiento.
• Células de HJT: Son células tipo N que combinan obleas de silicio cristalino con capas ultrafinas de silicio amorfo y óxido conductor transparente. Tienen unas eficiencias comerciales del 22 al 24% y hasta 26% en laboratorio. Destacan por su mejor rendimiento a altas temperaturas, poca luz y tienen nula degradación inducida por luz. Son las células más eficientes en climas cálidos. Ejemplo destacado, con el mejor comportamiento en temperatura es REC Solar con su tecnología HJT Gapless.
• Células TOPCon: Son células tipo N que incorporan una capa de óxido de túnel ultrafina y una capa pasivante en la parte trasera para reducir la recombinación electrónica. Tienen eficiencias comerciales del 23 al 24% y potenciales de laboratorio de hasta 28%. Ofrecen alta eficiencia, baja degradación y buen rendimiento térmico. La principal desventaja es que tienen problemas de degradación acelerada.
• Células multiunión y tándem: Las células solares multiunión combinan silicio con otros materiales semiconductores (perovskita, arseniuro de galio GaAs, fosfuro de galio e indio GaInP, …) para crear células tándem. Cada célula absorbe un espectro de longitudes de onda y han alcanzado eficiencias récord del 34,6% en laboratorio, con potencial superior al 40%.

Otros avances incluyen las células III-V multiunión de muy alta eficiencia, utilizadas en el espacio y en la energía fotovoltaica de concentración, con células que alcanzan más del 45% de eficiencia bajo luz solar concentrada.

Células solares según otras clasificaciones

Según la estructura del dispositivo y del tipo de unión, las células solares pueden clasificarse de las siguientes 4 formas.

• Según el tipo de unión

  • Homouniones: la unión p-n se forma dentro del mismo material (ejemplo: c-Si con dopado opuesto).

  • Heterouniones: la unión p-n se forma entre materiales distintos (ejemplo: HJT: c-Si con a-Si:H), optimizando pasivación y selectividad de contactos.

• Según el número de uniones

  • Unión simple: una única p-n (lo habitual en c-Si comercial).

  • Multiunión: varias p-n apiladas para cubrir más espectro (ejemplo: perovskita/silicio, III-V en concentración o espacio).

• Monocélula vs tándem

  • Monocélula: dispositivo de un solo material (mercado dominante).

  • Tándem integrado: dos o más subcélulas en una misma estructura para maximizar eficiencia con el mismo footprint.

• Bifaciales: captan irradiancia por ambas caras, aumentando la ganancia energética en función del albedo y la configuración (seguidores, altura, fondo).

¿De qué materiales están hechas principalmente las células solares?

El material principal utilizado en la gran mayoría de las células solares es el silicio. El silicio es abundante, es semiconductor y tiene propiedades que ya son bien conocidas. A nivel industrial, domina casi todo el mercado fotovoltaico en forma de obleas monocristalinas o policristalinas. Aunque históricamente las policristalinas fueron más comunes, hoy las monocristalinas han ganado protagonismo.

El silicio ofrece una combinación de eficiencia aceptable, estabilidad a largo plazo pues las células de silicio suelen durar entre 25 y 30 años (cuando son de buena calidad) y su precio está en continuo descenso (de los 1,5€/W en el año 2010 hasta los 0,10€/W en 2025).

Otros materiales semiconductores que se emplean en la fabricación de las células fotovoltaicas, incluyen compuestos binarios (dos elementos como CdTE, GaAs, InP, CdS) o ternarios/calcopiritas (aleaciones de tres elementos CuInSe2, Cu(In,Ga)Se2 - CIGS, AlGaAs), que permiten sintonizar la banda prohibida.

Además del silicio los materiales utilizados en las células solares más reseñables están listados a continuación.

• Teluro de cadmio (CdTe): compuesto de cadmio y telurio utilizado en células solares de capa fina. El CdTe es el segundo material más utilizado en las células solares después del silicio, y representa la mayor parte de la cuota de mercado restante (un 5% del total del mercado fotovoltaico global). La ventaja del CdTe es su menor coste de fabricación y su buen rendimiento a altas temperaturas (coeficiente de temperatura de -0,21%/ºC). Entre sus inconvenientes se encuentran la toxicidad del cadmio y el suministro limitado de telurio.
• CIGS (seleniuro de cobre, indio y galio): Se trata de otro material de capa fina que ha alcanzado altos rendimientos y que puede depositarse sobre sustratos flexibles. Tienen una eficiencia de alrededor del 20% en células de laboratorio, que es la más alta para la película fina después del CdTe.
• Silicio amorfo (a-Si): Se trata esencialmente de silicio en forma no cristalina. Se utiliza en algunos paneles de capa fina y en muchos productos solares de consumo pequeño (como calculadoras solares y luces de jardín). Las células de silicio amorfo se pueden fabricar depositando gas de silicio sobre grandes superficies de vidrio o plástico. Suelen tener una eficiencia baja del 6 al 10%, pero son muy baratas y pueden funcionar con luz interior.
• Semiconductores III-V (arseniuro de galio y otros): Se trata de materiales muy específicos como el arseniuro de galio GaAs, fosfuro de galio e indio GaInP,..., que tienen una eficiencia extremadamente alta, pero son muy caros, unas 7 veces más caros que las células de silicio convencionales. Dominan el mercado solar espacial y de satélites por su alta eficiencia. Por ejemplo, las células multiunión fabricadas con materiales III-V tienen el récord mundial de eficiencia (más del 40%) y alimentan satélites y rovers, donde el coste es secundario frente al rendimiento.
• Perovskita: los materiales de perovskita de laboratorio suelen ser compuestos como el Metilamonio Plomo Yoduro (CH3NH3PbI3), u otros compuestos basados en plomo, estaño, bromo o yodo. Las perovskitas han alcanzado una eficiencia superior al 34% en células de laboratorio en poco tiempo. El gran problema es su durabilidad pues la mayoría de las células de perovskita se degradan cuando se exponen a la humedad, el oxígeno, el calor o los rayos UV, por lo que la investigación actual se centra en hacerlas lo suficientemente estables como para que tengan una vida útil de más de 20 años.
• Otros materiales: También existen materiales fotovoltaicos orgánicos (OPV) que son polímeros basados en carbono que pueden actuar como semiconductores, que permiten fabricar células solares ultraflexibles y translúcidas, pero hasta ahora tienen una eficiencia menor del 15% y una vida útil más corta que el resto de materiales.

Material Fotovoltaico	Banda Prohibida (eV)	Longitudes de Onda de la luz que Absorbe Principalmente
Silicio cristalino (c-Si)	1,12 eV	Roja, infrarroja cercana (longitud de onda ≤ 1100 nm)
Perovskita	1,55-1,6 eV	Azul-verde (visible, longitud de onda ≤ 800 nm)
CdTe	1,45 eV	Mayormente visible hasta infrarrojo cercano (≤ 850 nm)
CIGS	1,0-1,7 eV	Visible e infrarrojo cercano (≤ 1100 nm)

¿Cuánta energía produce una célula fotovoltaica y qué factores afectan a su producción?

Una célula fotovoltaica individual genera una cantidad pequeña de electricidad de entre 0,5 y 0,6 voltios (en corriente continua) en condiciones de circuito abierto. La corriente de una célula depende de su tamaño y de la iluminación, pero una célula estándar de unos 15 cm cuadrados (M2) puede generar alrededor de 8 amperios a pleno sol a unos 0,5 V.

Hay que tener en cuenta que la cantidad de electricidad que produce una célula fotovoltaica, depende de varios factores que resumimos a continuación.

• Material y tecnología de las células: Las diferentes tecnologías de células tienen eficiencias diferentes. Las estructuras celulares avanzadas como las HJT Gapless o las IBC, pueden extraer más energía de la misma luz solar que otros diseños celulares básicos como son las PERC o las TOPCon.
• Irradiancia solar: La cantidad de luz solar que incide sobre la superficie de la célula influye directamente en la potencia de salida. Es decir, a pleno sol con aproximadamente 1000 W/m2 de irradiancia solar (condiciones de prueba estándar STC), una célula produce su potencia nominal, pero si la luz solar es más débil, la potencia disminuye. En un día nublado o a primera hora de la mañana o al atardecer, la irradiancia es menor y la célula genera menos corriente. Las células solares responden de forma aproximadamente lineal a la irradiancia. Es decir, a la mitad de luz solar generan aproximadamente la mitad de la corriente. Sin embargo, el voltaje es relativamente estable hasta que la luz es muy escasa.
• Temperatura: menos eficientes a altas temperaturas
• Sombra y suciedad: Cualquier obstrucción de la luz que llegue a la célula reducirá su rendimiento. Incluso una sombra parcial, como una hoja o el polvo o excrementos de pájaro en parte de una célula, puede reducir la potencia de forma muy significativa, ya que las células de una cadena de paneles están conectadas en serie, por lo que la célula más sombreada puede limitar la corriente de toda la cadena. En un panel, si una célula está sombreada, se activan los diodos de derivación para evitar daños, pero, en la práctica, esa célula o grupo de células dejan de generar. Se puede considerar de media que sombrear solo entre el 5 y el 10% de un panel puede reducir la potencia en un 50% o más en algunos casos.
• Ángulo de inclinación y orientación: La forma en que la luz solar incide directamente sobre la célula, relacionada con la inclinación y la orientación del panel, afecta a la producción. Una célula produce la máxima potencia cuando los rayos del sol inciden perpendicularmente sobre ella. Si el sol está en un ángulo pronunciado, parte de la luz se refleja y la irradiancia efectiva es menor.
• Degradación y antigüedad: Con el tiempo, las células solares pierden progresivamente parte de su eficiencia debido a diversos mecanismos de degradación. En general, los paneles de calidad están garantizados para seguir produciendo entre el 80% y el 90% de su potencia original después de 25 años.

Relación entre tamaño y potencia en una célula solar

Una célula solar de silicio monocristalino estándar en Madrid (irradiación media diaria de 4,62 kWh/m2), en condiciones de prueba estándar (STC) y con eficiencia del 20% al 23%, suele generar la siguiente energía en función de su tamaño.

Célula solar M2 (6 pulgadas / 156,75 mm2)

Las células solares M2 tienen las siguientes características eléctricas:

• Voltaje (Vmp): 0,54 V
• Corriente (Imp): 8,8 A
• Potencia (Pmax): 4,75 W

Los fabricantes suelen utilizar múltiplos de estas células de tamaño estándar, normalmente 60 o 72 células por módulo, para fabricar paneles con potencias que van desde 270W hasta alrededor de 360W o más, y que pueden producir aproximadamente desde 22 a 26 Wh por célula al día.

Esto se traduce en una producción de energía aproximada de 1,3 a 1,6 kWh por módulo de 270W por día, dependiendo de la orientación, inclinación y condiciones reales de instalación.

Célula solar M6 típica (6 pulgadas / 166 mm2):

Las células solares M6 tienen las siguientes características eléctricas.

• Voltaje (Vmp): 0,55 V
• Corriente (Imp): 9 A
• Potencia (Pmax): 5 W

Los fabricantes suelen utilizar múltiplos de estas células de tamaño estándar, 60 o 72 células por módulo, para fabricar paneles con potencias que van desde 300W hasta alrededor de 450 W o más, y que pueden producir aproximadamente desde 25 a 30 Wh.

Esto se traduce en en una producción de energía desde 1,5 a 2 kWh por módulo de 300 W por día, según orientación, inclinación y condiciones reales de instalación.

Célula solar M10 (7 pulgadas / 182 mm2):

Las células solares M10 tienen las siguientes características eléctricas.

• Voltaje (Vmp): 0,57 V
• Corriente (Imp): 13,9 A
• Potencia (Pmax): 7,9 W

Los fabricantes suelen utilizar múltiplos de estas células de tamaño estándar, normalmente 54, 60 o 72 células por módulo, para fabricar paneles con potencias que van desde 400W hasta alrededor de 600W o más, y que pueden producir aproximadamente desde 40 a 50 Wh por célula al día.

Esto se traduce en una producción de energía de aproximadamente 2,4 a 3,0 kWh por módulo de 400 W por día, según orientación, inclinación y condiciones reales de instalación.

Célula solar G12 (8 pulgadas / 210 mm2):

Las células solares G12 tienen las siguientes características eléctricas:

• Voltaje (Vmp): 0,58 V
• Corriente (Imp): 18,5 A
• Potencia (Pmax): 10,7 W

Los fabricantes suelen utilizar múltiplos de estas células de tamaño estándar, normalmente 50, 54 o 60 células por módulo (o el doble en caso de media-célula), para fabricar paneles con potencias que van desde 500 W hasta alrededor de 700 W o más, y que pueden producir aproximadamente desde 55 a 65 Wh por célula al día.

Esto se traduce en una producción de energía aproximada desde 3,0 a 3,8 kWh por módulo de 500 W por día, dependiendo de la orientación, inclinación y condiciones reales de instalación.

¿Qué eficiencia tiene una célula solar y de qué factores depende su eficiencia?

La eficiencia de una célula solar es el porcentaje del total de energía solar recibida que la célula puede convertir en energía eléctrica.

Esta eficiencia puede variar en función de la tecnología de la célula como indicamos a continuación.

1. Eficiencia de las células comerciales

Las células solares de silicio tradicionales, que constituyen la mayoría de los paneles actuales, tienen un rango de eficiencia entre el 15% y el 24% en productos comerciales. Las células de silicio monocristalino estándar suelen alcanzar eficiencias cercanas al 24%, mientras que las células policristalinas presentan eficiencias entre el 17% y el 19%. Las células PERC monocristalinas modernas alcanzan eficiencias entre el 20% y el 22%. En comparación, las tecnologías más recientes como TOPCon, IBC y HJT superan el 23% e incluso alcanzan el 25%, con diferencias en coste y comportamiento térmico que las posicionan en distintos segmentos de mercado. Las tecnologías de capa fina, históricamente menos eficientes, han mejorado significativamente como con las células de CdTe y CIGS modernas que alcanzan eficiencias entre el 17% y el 19%. Todo ello, bajo condiciones estándar (1000 W/m2), una célula con eficiencia del 20% produce aproximadamente 200 W de energía eléctrica por metro cuadrado de superficie.

2. Eficiencias récord en laboratorio

La investigación avanzada y las células especializadas han logrado eficiencias notablemente más altas que las comerciales. Para células de silicio monocristalino de unión simple, el récord mundial en laboratorio es actualmente cercano al 26-27%, principalmente mediante tecnologías avanzadas como la heterounión (HJT), que combina silicio cristalino con capas de silicio amorfo. Sin embargo, otras tecnologías y células de multiunión (varios semiconductores apilados, cada uno absorbiendo una parte diferente del espectro solar) alcanzan eficiencias aún mayores. Las células solares multiunión III-V, aplicadas sobre todo en el espacio o en sistemas de concentración (CPV), superan el 45% de eficiencia. Un ejemplo es la célula de cuatro uniones (4-junction) que alcanzó el 47,6% en 2022, un resultado que ilustra cómo estas arquitecturas rebasan el límite teórico de Shockley-Queisser para una sola unión. Incluso sin concentración, las células solares III-V de triple unión superan regularmente el 30% de eficiencia. Asimismo, las células tándem basadas en perovskita sobre silicio han superado recientemente el umbral del 30% en condiciones estándar (STC). Cabe destacar que la eficiencia máxima teórica para una célula de una sola unión (límite de Shockley-Queisser) está alrededor del 33%, valor al cual el silicio se acerca considerablemente. En contraste, los sistemas multiunión y tándem tienen límites teóricos mayores (por ejemplo, un tándem de dos uniones puede llegar hasta un 45%, mientras que un sistema con infinitas uniones podría teóricamente alcanzar hasta un 86% bajo condiciones de concentración).

3. Eficiencia de los módulos frente a la de las células

Ten en cuenta que un módulo solar (panel solar) siempre va a tener una eficiencia ligeramente inferior a la de sus células individuales debido a la reflexión del vidrio, a los huecos entre células cableado, etc. Por lo tanto, un panel con una eficiencia del 22% puede estar compuesto por células con una eficiencia individual del 23%.

 

Los factores que influyen en la eficiencia de una célula, algunos son inherentes a la célula y otros son externos. Los 7 factores más importantes se explican a continuación.

• Banda prohibida del material: La banda prohibida del semiconductor utilizado en la célula determina qué parte del espectro solar puede absorberse y la eficiencia máxima teórica. Por ejemplo, la banda prohibida del silicio, 1,1 eV, es muy adecuada para la luz visible. Los materiales con una banda prohibida muy baja o muy alta pierden más espectro solar o desperdician energía, lo que reduce la eficiencia. Por eso las células multiunión, que apilan varios materiales con diferentes bandas prohibidas, pueden alcanzar mayores eficiencias, ya que capturan diferentes partes del espectro de forma más óptima.
• Pérdidas por recombinación: No todos los pares de electrones y huecos creados por la luz llegan al circuito, algunos se recombinan dentro de la célula. La eficiencia de la célula mejora si se minimiza la recombinación. Para ello se emplean técnicas como la pasivación superficial (PERC) o el uso de heterounión con capas (HJT), que además aportan ventajas extra como la resistencia a altas temperaturas.
• Pérdidas ópticas: Cualquier luz que se refleja o no se absorbe es una pérdida. Los recubrimientos antirreflectantes en la célula (ARC), las superficies texturizadas para atrapar la luz y un mejor cristal para los módulos con recubrimientos antirreflectantes ayudan a que entre más luz en la célula en lugar de rebotar. Del mismo modo, si la célula es demasiado delgada, parte de la luz podría atravesarla sin ser absorbida.
• Resistencia en serie y conductancia: Es fundamental recoger de forma eficiente la corriente generada. Los contactos metálicos y las barras colectoras deben diseñarse para minimizar las pérdidas por resistencia pero sin bloquear demasiado la luz. Las células modernas utilizan líneas de rejilla más finas y múltiples barras colectoras (bus-bars) o incluso adhesivos conductivos (como el ECA) para reducir la resistencia. La tecnología de células de medio corte reduce las pérdidas por resistencia al dividir por dos la corriente en cada cadena de células, lo que incrementa la eficiencia a nivel de módulo y mejora la tolerancia a sombras parciales. También células con tecnología HJT Gapless, que hace uso de la capa de óxido conductor de las células HJT, reducen esa resistencia.
• Irradiancia y espectro: Las condiciones estándar de medida asumen una determinada irradiancia (1000 W/m2) y un espectro estándar (AM1.5). Con una luz más débil, por ejemplo, 500 W/m2, las células tienen un porcentaje de eficiencia ligeramente inferior. Además, el espectro también influye, una célula puede ser un poco más eficiente bajo un espectro concreto.
• Degradación y estabilidad: A lo largo de su vida útil, los cambios permanentes en la célula pueden reducir su eficiencia. Degradaciones como la LID, que es una caída puntual de un pequeño porcentaje (1-2%) en las células PERC de silicio si no se mitiga. También existe la degradación inducida por el potencial (PID), provocada por el alto voltaje del sistema, que causa fugas, degradación de los materiales por los rayos UV, etc.
• Temperatura: las temperaturas más altas reducen el voltaje de las células solares y, por lo tanto, reducen la eficiencia. La eficiencia indicada en las hojas técnicas para los paneles es medida a una temperatura de célula de 25 °C y STC. Los fabricantes especifican un coeficiente de temperatura (por ejemplo, de -0,3 a -0,5%/°C para la potencia). Así, si una célula se encuentra a 45 °C (20 °C por encima de la temperatura estándar), un coeficiente de -0,4%/°C significa una pérdida de eficiencia relativa de aproximadamente el 8%. Además, las tecnologías más recientes, como la HJT, tienen coeficientes de temperatura intrínsecamente mejores (pierden menos eficiencia cuando hace calor), lo que significa que en condiciones cálidas mantienen una eficiencia relativa más alta que las células estándar. Por eso la ventilación, la tecnología de la célula y el clima son importantes para el rendimiento y la eficiencia.

¿Cuáles son las aplicaciones más comunes de las células fotovoltaicas?

Las células fotovoltaicas son extremadamente versátiles y se utilizan en aplicaciones que van desde las más pequeñas, como una sola célula solar en una calculadora, hasta las más grandes como millones de células en paneles que suministran electricidad a una ciudad.

A continuación, resumimos los usos más comunes de las células solares por escala y sector.

• Dispositivos a pequeña escala: Calculadoras solares, relojes, luces solares de jardín, cargadores portátiles y pequeños dispositivos electrónicos. Estas aplicaciones destacan por su bajo consumo energético, fiabilidad, duración prolongada y facilidad de uso remoto sin mantenimiento.
• Sistemas autónomos remotos: Equipos en zonas sin red eléctrica como torres de telecomunicaciones, estaciones meteorológicas, equipos sísmicos, bombeo de agua agrícola y sensores ambientales. Estos sistemas fotovoltaicos con baterías ofrecen energía constante, requieren poco mantenimiento y funcionan en lugares aislados durante años.
• Energía solar residencial y comercial: Paneles fotovoltaicos instalados en viviendas y negocios generan electricidad localmente conectados a la red. Los sistemas domésticos típicos rondan unos pocos kilovatios (10-20 paneles para 5-10 kW), proporcionando autoconsumo y reduciendo las facturas eléctricas. Algunos incluyen baterías para almacenamiento y uso nocturno o respaldo en lugares remotos.
• Parques solares a gran escala: Grandes plantas fotovoltaicas industriales (huertas solares) formadas por miles o millones de paneles en grandes superficies. Proveen electricidad a la red general, con capacidades desde pocos megavatios hasta cientos. Utilizan paneles monocristalinos, a menudo con seguimiento solar. Han crecido notablemente, formando parte significativa del mix energético mundial por su bajo coste. Las plantas solares más avanzadas utilizan fotovoltaica de concentración, con ópticas concentran irradiancia sobre células multiunión, con seguimiento de la posición del sol.
• Fotovoltaica integrada en edificios (BIPV): Células solares integradas en materiales de construcción como tejas solares, ventanas y fachadas de vidrio fotovoltaico, persianas o toldos. La semitransparencia puede lograrse aperturando las capas activas o mediante materiales translúcidos. Su objetivo es combinar producción energética con estética o funcionalidad arquitectónica.
• Transporte y movilidad: Aplicaciones comunes incluyen parquímetros solares, señales de tráfico, farolas solares y paneles auxiliares en vehículos comerciales. Aunque los vehículos solares aún son experimentales, algunas soluciones prácticas como techos solares en coches eléctricos proporcionan una carga auxiliar, y existen aviones y barcos solares experimentales que demuestran la versatilidad de las células solares.
• Aplicaciones espaciales: Desde satélites hasta sondas y vehículos en Marte, las células solares especializadas, como las multiunión de GaAs, son utilizadas por su fiabilidad y larga vida útil en entornos extremos.
• Usos militares y especiales: El ejército emplea paneles solares portátiles para recargar equipos electrónicos en operaciones remotas. También se prueban drones solares de larga duración y otras aplicaciones especializadas como ventiladores, calentadores solares híbridos y juguetes educativos.