De arena a panel solar

Por ing. Carlos Flores Macías

Tan confiable como el sol, la tecnología de las celdas solares es simple, efectiva, de larga duración y “verde”; es decir, de bajo impacto al medio ambiente. Las celdas se construyen con obleas de silicio a partir de arenas comunes ricas en cuarzo. Al ser ensambladas en paneles y expuestas al sol, convierten directamente la luz en electricidad sin producir emisiones contaminantes, agotar recursos o utilizar piezas movibles.

¿Cómo se hacen los paneles?

El silicio es el punto inicial del ciclo. Este material se extrae de la arena, compuesta principalmente de dióxido de silicio. Debido a que es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre, hay casi un suministro ilimitado.

Durante el segundo paso de producción, el silicio previamente purificado se funde a 1400°C para dejarlo solidificar en forma controlada, formando una estructura atómica cristalina. El lingote de silicio cristalizado se moldea en bloques rectangulares que se rebanan, literalmente, en obleas extremadamente delgadas de menos de 0.25 milímetros de espesor, utilizando una tecnología de corte con alambre recubierto de diamante.

Después de limpiar y de realizar pruebas del grado de pureza y cristalinidad, las obleas están listas para transformarse en celdas solares. Para ello, durante el tercer paso en el ciclo, se le añaden pequeñas, pero muy pequeñas cantidades de otros elementos como fósforo y boro en un proceso a alta temperatura. Estos elementos resultan en la creación de un campo eléctrico interno en la superficie frontal de la oblea.

En el siguiente paso se imprimen, en ambas caras, los contactos metálicos que servirán para extraer la corriente eléctrica que generará la celda al exponerse al sol. Para lograrlo se emplean pastas de plata y aluminio que son aleadas a alta temperatura a la superficie de la celda y que en su lado expuesto al sol muestran una fina rejilla.

Finalmente, las celdas son recubiertas con una muy delgada película de óxido de titanio (unas cuantas capas atómicas) para disminuir la reflexión de la luz recibida, otorgándoles el distintivo color azul oscuro, casi negro, que las caracteriza.

Estas celdas ya poseen todos los atributos técnicos necesarios para generar electricidad de la luz del sol y formar el elemento básico de los paneles solares.

La celda fotovoltaica, aunque durable, es frágil y produce un voltaje relativamente pequeño de alrededor de los 0.6 volts. Para su uso práctico, las celdas se agrupan en serie, elevando su voltaje, y se protegen en un laminado de vidrio y capas de plástico al que finalmente se le coloca un marco de aluminio, convirtiéndose así en un panel solar.

Un panel solar típico consta de 60 o 72 celdas solares conectadas en serie para dar un voltaje de 36 y 43 volts. Una vez terminado, sus dimensiones serán de 1 metro de ancho por 1.7 metros de largo (60 celdas) o 1 metro de ancho por 2 metros de largo (72 celdas) y 4 centímetros de espesor del marco.

La potencia del panel será de 270 a 300 watts con 60 celdas y de 320 a 360 watts para el panel de 72 celdas. El panel solar de 60 celdas es el más utilizado en instalaciones residenciales, mientras que el de 72 celdas es aplicado en instalaciones de mayor tamaño, donde se agrupan miles o hasta cientos de miles de ellos.

La producción 
de electricidad


Una celda fotovoltaica expuesta al sol convierte la luz instantáneamente en electricidad. Los portadores de carga eléctrica, tanto positiva como negativa, se liberan en las celdas al recibir la radiación por leve que sea, ocasionando que la corriente eléctrica (corriente directa) fluya. Así es como lo hace:

Figura 1. Los fotones portadores de la energía de la luz del sol son convertidos en portadores de carga eléctrica en el interior de la celda solar.

A. Los fotones de luz bombardean y penetran la celda. La energía de la luz tiene un comportamiento dual, al mismo tiempo como ondas y como partículas. Estas partículas son los fotones, que acarrean energía desde el sol y a través del espacio.

B. Al absorberse en el silicio de la celda solar, los fotones transmiten su energía a sus electrones periféricos y estos se desprenden de su órbita por unos instantes. Se tiene, entonces, una carga negativa libre (el electrón) y una carga positiva en el átomo del que el electrón se separó. A esta carga positiva se denomina hueco. Cada fotón absorbido y convertido resulta entonces en un par electrón-hueco.

C. Los electrones, libres por unos instantes, son barridos a la parte superior de la celda bajo la acción del campo eléctrico interno que se creó en el proceso de fabricación. El resultado son cargas negativas acumulándose en la superficie de la celda solar (los electrones) y cargas positivas en el resto de la celda (los huecos), de donde salieron dichos electrones. En ese momento ya es posible medir el voltaje resultante de la acumulación de cargas eléctricas opuestas en cada lado de la celda; estando el lado negativo arriba y el lado positivo abajo.

D. Si se establece un camino externo para que los electrones circulen de la cara superior a la cara inferior de la celda (es decir, un circuito eléctrico externo), los electrones fluirán a través de los contactos metalizados en la superficie de la celda, produciendo una corriente eléctrica cuya energía puede ser entregada al exterior del panel.

E. Los electrones finalmente regresan por la parte inferior de la celda, volviendo a ocupar su posición en el átomo de donde salieron y listos para repetir el proceso mientras se reciban nuevos fotones de luz.

Tipos de generación fotovoltaica

1. Generación distribuida. El consumidor que instala un sistema solar en su casa o negocio evita la compra de electricidad a la red suministradora, ya sea una parte o toda. Los ahorros en la compra de electricidad se acumulan a lo largo de años hasta el punto que el sistema se paga a sí mismo. Un sistema solar con la tecnología actual tiene una vida esperada de más 30 años y ya se habla de hasta 40 años. Los ahorros pagan el sistema en un plazo tan corto como tres años para las tarifas eléctricas más altas, que en México corresponden a los usuarios domésticos de alto consumo (tarifa DAC), así que el usuario tendrá ahorros por más de 27 años. Para las tarifas comerciales e industriales cuyo costo es menor, el sistema se paga a sí mismo entre 5 y 8 años, y gracias a los esquemas de financiamiento su uso se ha empezado a generalizar y se incrementará conforme aumente el costo de la electricidad de la red.
2. Generación central. Las grandes instalaciones centrales de decenas y hasta cientos de megawatts tienen la ventaja de la escala y sus costos son menores que en generación distribuida, lo que resulta en un costo de la energía generada también menor. Por ello en las subastas del nuevo mercado eléctrico en México, los precios ofertados han sido incluso menores que el de las plantas de generación con combustibles fósiles.

Se puede generar toda la electricidad que se consume en México utilizando celdas solares de la tecnología actual en un cuadro de tan solo 35 km por lado (es decir, un área de 1225 km2), lo equivalente a 0.06% de la superficie de nuestro país.

El futuro

Se prevé que el avance de la eficiencia de las celdas solares, combinado con la mejora en la electrónica de los inversores (convertidores de corriente directa a corriente alterna) y con el escalamiento de volumen de fabricación e instalación, continúe incrementado su atractivo no solo por su beneficio al ambiente sino también por su rentabilidad económica. ¿Qué hace falta para una sociedad donde la electricidad únicamente se genere con energías renovables? El desafío más grande por resolver ahora es el inherente a la variabilidad de las fuentes de energía renovable, sea viento, solar. Dicho en términos sencillos, la generación con renovables no necesariamente ocurre cuando se requiere, ya que el consumo tiene su propio perfil de uso a lo largo del día.

Se anticipa claramente que las energías renovables irán incrementando su participación, y que podría ser de hasta la mitad del consumo humano de energía a mediados de este siglo. Lo que a su vez hace claro que a fines de este siglo la generación eléctrica será muy diferente de lo que es ahora, definitivamente un futuro más claro y brillante en más de un sentido.

(*) El autor es Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica por el Instituto Politécnico Nacional con una Maestría en Electrónica del Estado Sólido por el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del mismo Instituto. Actualmente se desempeña como director general de la empresa Conermex, especializada en sistemas fotovoltaicos.