Tipos de Células Fotovoltaicas y su estructura

La variedad de materiales empleados en la fabricación de células fotovoltaicas y las distintas tecnologías de fabricación así como su integración en paneles fotovoltaicos y las aplicaciones de la energía fotovoltaica es de tal amplitud en la actualidad, que se hace necesario clasificarlos de alguna forma, nosotros establecemos la siguiente:

• Por el tipo de materiales.
• Por estructura interna de los materiales.
• Por estructura de dispositivos.
• Por sus aplicaciones.

Por el tipo de materiales:

Dentro de esta clasificación destacamos 3 tipos:

• De material simple: el material más utilizado es el silicio (Si), aunque también se utilizan el germanio (Ge) y selenio (Se).
• De compuestos binarios: los compuestos binarios que se han investigado han sido muchos, aunque lo más habituales han sido: CdTe, AsGa, InP, CdS,…
• De compuestos ternarios: entre otros cabe destacar algunos compuestos como AlGaAs, y los compuestos de estructura calcopirita basados en el Cu, como CuInSe2, …

Esta clasificación podría ser casi interminable, puesto que el número de elementos presentes en una aleación de materiales semiconductores y metálicos puede ser tan grande como se quiera.

Por la estructura interna del material:

En cuanto a la estructura cristalina interna en que estos materiales se pueden fabricar y obtener, se puede realizar la siguiente clasificación de tipos de paneles solares:

• Monocristalinos: la célula es crecida o procesada como un único cristal. Las más típicas son Si, AsGa, CdTe… Las células con esta estructura cristalina suelen mostrar buenas eficiencias pero con elevados costes de fabricación. Ejemplos de células monocristalinas empleadas en paneles fotovoltaicos podrían ser, por ejemplo, la placa solar SunPower P19.
  La estructura interna de una célula solar fotovoltaica monocristalina sería como la mostrada en la figura.

• Multicristalinos: estas células sacrifican parcialmente el rendimiento final de la célula a cambio de una disminución de su coste. La estructura interna está formada por multitud de granos o monocristales de gran tamaño. La orientación cristalina de estos granos es totalmente aleatoria.
• Policristalinos: aunque con una estructura basada también en pequeños cristales o granos, el tamaño de grano en estos materiales es muy inferior al de los materiales multicristalinos. Ejemplos de células policristalinas empleadas en paneles solares se podrían encontrar en nuestra sección de placas solares.
  La estructura interna de una célula solar fotovoltaica policristalina sería como la mostrada en la figura.

• Dispositivos Híbridos: muchas células modernas se fabrican a partir de capas o sustratos monocristalinos sobre las que se deposita un segundo material con estructura policristalina por medio de técnicas de lámina delgada.
• Amorfos: el único material empleado en la actualidad en esta forma es el Silicio, normalmente con incorporación de hidrógeno en el proceso de fabricación. Uno de los problemas presentados es la degradación que se produce en su rendimiento tras los primeros meses de operación. La estructura interna de una célula solar fotovoltaica amorfa sería como la mostrada en la figura.

 

Clasificación por su estructura:

Los células fotovoltaicas, aparte de por el tipo de material, se pueden clasificar también por el tipo de aplicación y su estructura.

Una de las innovaciones producidas supone el uso de diferentes materiales para producir la unión, de forma que podemos hacer una primera distinción entre:

• Homouniones: la unión p-n se crea sobre un único material por difusión de dopantes desde lados opuestos de la célula.
• Heterouniones: los dos materiales situados a ambos lados de la unión son diferentes, producidos por distintas tecnologías de fabricación.

 

 

A su vez, podemos tener estructuras formadas por distinto número de uniones p-n en el mismo dispositivo, con lo cual distinguimos entre:

• Dispositivos de unión simple: se crea una única unión p-n en la estructura del dispositivo, aunque esta puede estar formada por compuestos distintos a cada lado de la unión.
• Dispositivos multi-unión: se produce a base de varias uniones superpuestas, que pueden formar parte de una única célula o corresponder a distintas células crecidas en la misma estructura.
• Dispositivos monocélula: son los más comunes y los que se encuentran actualmente en el mercado, ejemplos serían las células empleadas.
• Dispositivos tandem o en cascada: es la combinación de dos o más células en una misma estructura con el fin de aprovechar el mayor rango posible del espectro solar, es el caso de la tecnología HJT.

Interconexión de las células:

Existen claras diferencias estructurales y de diseño entre células que van destinadas a aplicaciones diferentes o que trabajan en diferentes condiciones.

Podemos realizar una clasificación básica de las células en cuatro grupos según el tipo de aplicación a que van destinadas:

• Células para aplicaciones terrestres sin concentración: la práctica totalidad de las módulos fotovoltaicos disponibles comercialmente son para este tipo de aplicaciones.
• Células para integración en edificios: presentan como característica más destacada su semitransparencia, permitiendo el paso de una fracción de la luz que reciben a la parte posterior. Esta semitransparencia se logra mediante la creación de surcos o agujeros de anchura controlada en las capas activas de la célula.
• Células para aplicaciones terrestres bajo concentración: en busca del mayor rendimiento de conversión posible, se han incluido algunos módulos los concentradores, capaces de incrementar la radiación solar incidente sobre la célula.
• Células para aplicaciones espaciales: han seguido una evolución permanente desde el comienzo de las investigaciones hasta la actualidad.

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