La energía fotovoltaica ( FV ) es la conversión de luz en electricidad mediante materiales semiconductores que presentan el efecto fotovoltaico , un fenómeno estudiado en física , fotoquímica y electroquímica . El efecto fotovoltaico se utiliza comercialmente para la generación de electricidad y como fotosensores .
Un sistema fotovoltaico utiliza módulos solares , cada uno de los cuales comprende una serie de células solares , que generan energía eléctrica. Las instalaciones fotovoltaicas pueden ser instaladas en el suelo, en el techo, en la pared o flotantes. El soporte puede ser fijo o utilizar un seguidor solar para seguir al sol a través del cielo.
La tecnología fotovoltaica ayuda a mitigar el cambio climático porque emite mucho menos dióxido de carbono que los combustibles fósiles . La energía solar fotovoltaica tiene ventajas específicas como fuente de energía: una vez instalada, su funcionamiento no genera ninguna contaminación ni emisiones de gases de efecto invernadero ; muestra escalabilidad con respecto a las necesidades de energía y el silicio tiene una gran disponibilidad en la corteza terrestre, aunque otros materiales necesarios en la fabricación de sistemas fotovoltaicos, como la plata, pueden limitar un mayor crecimiento de la tecnología. Otras limitaciones importantes identificadas incluyen la competencia por el uso de la tierra. [1] El uso de la energía fotovoltaica como fuente principal requiere sistemas de almacenamiento de energía o distribución global mediante líneas eléctricas de corriente continua de alto voltaje que causan costos adicionales, y también tiene una serie de otras desventajas específicas, como la generación de energía variable que debe equilibrarse. La producción e instalación causan cierta contaminación y emisiones de gases de efecto invernadero , aunque solo una fracción de las emisiones causadas por los combustibles fósiles . [2]
Los sistemas fotovoltaicos se han utilizado durante mucho tiempo en aplicaciones especializadas como instalaciones independientes y los sistemas fotovoltaicos conectados a la red se han utilizado desde la década de 1990. [3] Los módulos fotovoltaicos se produjeron en masa por primera vez en 2000, cuando el gobierno alemán financió un programa de cien mil techos. [4] La disminución de los costos ha permitido que la energía fotovoltaica crezca como fuente de energía. Esto ha sido impulsado en parte por la inversión masiva del gobierno chino en el desarrollo de la capacidad de producción solar desde 2000 y en el logro de economías de escala . Las mejoras en la tecnología y la eficiencia de fabricación también han llevado a una disminución de los costos. [5] [6] La medición neta y los incentivos financieros, como las tarifas de alimentación preferenciales para la electricidad generada con energía solar, han apoyado las instalaciones solares fotovoltaicas en muchos países. [7] Los precios de los paneles se redujeron en un factor de 4 entre 2004 y 2011. Los precios de los módulos cayeron aproximadamente un 90% durante la década de 2010.
En 2022, la capacidad fotovoltaica instalada en todo el mundo aumentó a más de 1 teravatio (TW), cubriendo casi el dos por ciento de la demanda mundial de electricidad . [8] Después de la energía hidroeléctrica y eólica , la fotovoltaica es la tercera fuente de energía renovable en términos de capacidad global. En 2022, la Agencia Internacional de la Energía esperaba un crecimiento de más de 1 TW entre 2022 y 2027. [9] En algunos casos, la fotovoltaica ha ofrecido la fuente de energía eléctrica más barata en regiones con un alto potencial solar, con una oferta de precios tan bajos como 0,015 USD/ kWh en Qatar en 2023. [10] En 2023, la Agencia Internacional de la Energía declaró en su Perspectiva Energética Mundial que '[p]ara proyectos con financiamiento de bajo costo que aprovechan recursos de alta calidad, la energía solar fotovoltaica es ahora la fuente de electricidad más barata de la historia. [11]
El término "fotovoltaico" proviene del griego φῶς ( phōs ) que significa "luz", y de "voltio", la unidad de fuerza electromotriz, el voltio , que a su vez proviene del apellido del físico italiano Alessandro Volta , inventor de la batería ( célula electroquímica ). El término "fotovoltaico" se utiliza en inglés desde 1849. [12]
En 1989, el Ministerio de Investigación alemán puso en marcha el primer programa de financiación de tejados fotovoltaicos (2200 tejados), dirigido por Walter Sandtner en Bonn (Alemania). [13]
En 1994, Japón siguió sus pasos y llevó a cabo un programa similar con 539 sistemas fotovoltaicos residenciales instalados. [14] Desde entonces, muchos países han seguido produciendo y financiando sistemas fotovoltaicos a una velocidad exponencial.
La energía fotovoltaica es más conocida como un método para generar energía eléctrica mediante el uso de células solares para convertir la energía del sol en un flujo de electrones mediante el efecto fotovoltaico . [15] [16]
Las células solares producen electricidad de corriente continua a partir de la luz solar, que se puede utilizar para alimentar equipos o recargar baterías . La primera aplicación práctica de la energía fotovoltaica fue la de alimentar satélites en órbita y otras naves espaciales , pero hoy en día la mayoría de los módulos fotovoltaicos se utilizan para sistemas conectados a la red eléctrica para la generación de energía. En este caso, se requiere un inversor para convertir la CC en CA. También existe un mercado más pequeño para sistemas autónomos para viviendas remotas, barcos , vehículos recreativos , coches eléctricos , teléfonos de emergencia en carretera, teledetección y protección catódica de tuberías .
La generación de energía fotovoltaica emplea módulos solares compuestos por una serie de células solares que contienen un material semiconductor. [17] Los cables solares de cobre conectan módulos (cable de módulo), conjuntos (cable de conjunto) y subcampos. Debido a la creciente demanda de fuentes de energía renovable , la fabricación de células solares y conjuntos fotovoltaicos ha avanzado considerablemente en los últimos años. [18] [19] [20]
Las células requieren protección del medio ambiente y normalmente están empaquetadas de forma compacta en módulos solares.
La potencia del módulo fotovoltaico se mide en condiciones de prueba estándar (STC) en "W p " ( vatios pico ). [21] La potencia de salida real en un lugar determinado puede ser menor o mayor que este valor nominal, dependiendo de la ubicación geográfica, la hora del día, las condiciones climáticas y otros factores. [22] Los factores de capacidad de los paneles solares fotovoltaicos suelen ser inferiores al 25 % cuando no están acoplados al almacenamiento, lo que es inferior al de muchas otras fuentes industriales de electricidad. [23]
La eficiencia de una célula solar es la parte de energía en forma de luz solar que la célula solar puede convertir en electricidad mediante energía fotovoltaica .
La eficiencia de las células solares utilizadas en un sistema fotovoltaico , en combinación con la latitud y el clima, determina la producción anual de energía del sistema. Por ejemplo, un panel solar con una eficiencia del 20% y un área de 1 m2 producirá 200 kWh/año en condiciones de prueba estándar si se expone al valor de irradiancia solar de 1000 W/m2 en condiciones de prueba estándar durante 2,74 horas al día. Por lo general, los paneles solares están expuestos a la luz solar durante más tiempo en un día determinado, pero la irradiancia solar es inferior a 1000 W/m2 durante la mayor parte del día. Un panel solar puede producir más cuando el Sol está alto en el cielo de la Tierra y producirá menos en condiciones nubladas o cuando el Sol está bajo en el cielo; por lo general, el Sol está más bajo en el cielo en invierno.
Dos factores que dependen de la ubicación y que afectan al rendimiento de la energía solar fotovoltaica son la dispersión y la intensidad de la radiación solar. Estas dos variables pueden variar mucho de un país a otro. [24] Las regiones globales que tienen altos niveles de radiación durante todo el año son Oriente Medio, el norte de Chile, Australia, China y el suroeste de los EE. UU. [24] [25] En una zona solar de alto rendimiento como el centro de Colorado, que recibe una insolación anual de 2000 kWh/m2 /año , [26] se puede esperar que un panel produzca 400 kWh de energía al año. Sin embargo, en Michigan, que recibe solo 1400 kWh/m2 / año, [26] el rendimiento energético anual caerá a 280 kWh para el mismo panel. En latitudes europeas más septentrionales, los rendimientos son significativamente inferiores: 175 kWh de rendimiento energético anual en el sur de Inglaterra en las mismas condiciones. [27]
Varios factores afectan la eficiencia de conversión de una celda, incluyendo su reflectancia , eficiencia termodinámica , eficiencia de separación de portadores de carga , eficiencia de recolección de portadores de carga y valores de eficiencia de conducción . [29] [28] Debido a que estos parámetros pueden ser difíciles de medir directamente, se miden otros parámetros en su lugar, incluyendo la eficiencia cuántica , la relación de voltaje de circuito abierto (V OC ) y el § factor de llenado. Las pérdidas de reflectancia se explican por el valor de eficiencia cuántica, ya que afectan la "eficiencia cuántica externa". Las pérdidas de recombinación se explican por la eficiencia cuántica, la relación V OC y los valores del factor de llenado. Las pérdidas resistivas se explican predominantemente por el valor del factor de llenado, pero también contribuyen a los valores de eficiencia cuántica y relación V OC .
A partir de 2024, el récord mundial de eficiencia de células solares es del 47,6%, establecido en mayo de 2022 por Fraunhofer ISE, con una célula fotovoltaica de concentración (CPV) de cuatro uniones III-V. [30] Esto supera el récord anterior del 47,1%, establecido en 2019 por células solares de concentración de múltiples uniones desarrolladas en el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) , Golden, Colorado, EE. UU., [31] que se estableció en condiciones de laboratorio, bajo luz extremadamente concentrada. El récord en condiciones del mundo real también lo tiene el NREL, que desarrolló células de triple unión con una eficiencia probada del 39,5%. [32] [33]
El rendimiento del módulo generalmente se clasifica en condiciones de prueba estándar (STC): irradiancia de 1000 W/m2 , espectro solar de AM 1,5 y temperatura del módulo a 25 °C. [34] La salida de voltaje y corriente real del módulo cambia a medida que cambian las condiciones de iluminación, temperatura y carga, por lo que nunca hay un voltaje específico en el que funciona el módulo. El rendimiento varía según la ubicación geográfica, la hora del día, el día del año, la cantidad de irradiancia solar , la dirección e inclinación de los módulos, la cobertura de nubes, el sombreado, la suciedad , el estado de carga y la temperatura. El rendimiento de un módulo o panel se puede medir en diferentes intervalos de tiempo con un medidor de pinza de CC o un derivador y registrarse, graficarse o representarse en gráficos con un registrador gráfico o de datos.
Para lograr un rendimiento óptimo, un panel solar debe estar formado por módulos similares orientados en la misma dirección perpendicular a la luz solar directa. Los diodos de derivación se utilizan para evitar paneles rotos o sombreados y optimizar la producción. Estos diodos de derivación suelen colocarse a lo largo de grupos de células solares para crear un flujo continuo. [35]
Las características eléctricas incluyen potencia nominal (P MAX , medida en W ), voltaje de circuito abierto (V OC ), corriente de cortocircuito (I SC , medida en amperios ), voltaje de potencia máxima (V MPP ), corriente de potencia máxima (I MPP ), potencia pico ( vatio-pico , W p ) y eficiencia del módulo (%).
El voltaje de circuito abierto o V OC es el voltaje máximo que el módulo puede producir cuando no está conectado a un circuito o sistema eléctrico. [36] El V OC se puede medir con un voltímetro directamente en los terminales de un módulo iluminado o en su cable desconectado.
La potencia máxima nominal, W p , es la salida máxima en condiciones de prueba estándar (no la salida máxima posible). Los módulos típicos, que pueden medir aproximadamente 1 por 2 metros (3 pies × 7 pies), tendrán una potencia nominal que va desde 75 W hasta 600 W, dependiendo de su eficiencia. En el momento de la prueba, los módulos de prueba se clasifican según sus resultados de prueba, y un fabricante típico puede calificar sus módulos en incrementos de 5 W, y calificarlos en +/- 3%, +/- 5%, +3/- 0% o +5/- 0%. [37] [38] [39]
El rendimiento de un módulo fotovoltaico (PV) depende de las condiciones ambientales, principalmente de la irradiancia incidente global G en el plano del módulo. Sin embargo, la temperatura T de la unión p–n también influye en los principales parámetros eléctricos: la corriente de cortocircuito ISC, la tensión de circuito abierto VOC y la potencia máxima Pmax. En general, se sabe que VOC muestra una correlación inversa significativa con T, mientras que para ISC esta correlación es directa, pero más débil, de modo que este aumento no compensa la disminución de VOC. Como consecuencia, Pmax disminuye cuando T aumenta. Esta correlación entre la potencia de salida de una célula solar y la temperatura de trabajo de su unión depende del material semiconductor, y se debe a la influencia de T en la concentración, la vida útil y la movilidad de los portadores intrínsecos, es decir, los electrones y los huecos dentro de la célula fotovoltaica.
La sensibilidad a la temperatura se describe habitualmente mediante coeficientes de temperatura, cada uno de los cuales expresa la derivada del parámetro al que se refiere respecto de la temperatura de unión. Los valores de estos parámetros, que se pueden consultar en cualquier ficha técnica del módulo fotovoltaico, son los siguientes:
Se pueden encontrar en la literatura técnicas para estimar estos coeficientes a partir de datos experimentales. [40]
La capacidad de los módulos solares para soportar daños causados por la lluvia, el granizo , fuertes cargas de nieve y ciclos de calor y frío varía según el fabricante, aunque la mayoría de los paneles solares en el mercado estadounidense están listados por UL, lo que significa que han pasado pruebas para resistir el granizo. [41]
La degradación inducida por potencial (también llamada PID) es una degradación del rendimiento inducida por potencial en módulos fotovoltaicos cristalinos, causada por las llamadas corrientes parásitas. [42] Este efecto puede causar una pérdida de potencia de hasta el 30%. [43]
El mayor desafío para la tecnología fotovoltaica es el precio de compra por vatio de electricidad producida. Los avances en las tecnologías fotovoltaicas han dado lugar al proceso de "dopaje" del sustrato de silicio para reducir la energía de activación, con lo que el panel es más eficiente en la conversión de fotones en electrones recuperables. [44]
Se aplican productos químicos como el boro (tipo p) en el cristal semiconductor para crear niveles de energía de donante y aceptor sustancialmente más cercanos a las bandas de valencia y conductora. [45] Al hacerlo, la adición de impureza de boro permite que la energía de activación disminuya veinte veces de 1,12 eV a 0,05 eV. Dado que la diferencia de potencial (E B ) es tan baja, el boro puede ionizarse térmicamente a temperatura ambiente. Esto permite que haya portadores de energía libres en las bandas de conducción y valencia, lo que permite una mayor conversión de fotones en electrones.
La potencia de salida de un dispositivo fotovoltaico (PV) disminuye con el tiempo. Esta disminución se debe a su exposición a la radiación solar, así como a otras condiciones externas. El índice de degradación, que se define como el porcentaje anual de pérdida de potencia de salida, es un factor clave para determinar la producción a largo plazo de una planta fotovoltaica. Para estimar esta degradación, se debe tener en cuenta el porcentaje de disminución asociado a cada uno de los parámetros eléctricos. La degradación individual de un módulo fotovoltaico puede influir significativamente en el rendimiento de una cadena completa. Además, no todos los módulos de la misma instalación disminuyen su rendimiento exactamente al mismo ritmo. Dado un conjunto de módulos expuestos a condiciones exteriores a largo plazo, debe considerarse la degradación individual de los principales parámetros eléctricos y el aumento de su dispersión. Como cada módulo tiende a degradarse de forma diferente, el comportamiento de los módulos será cada vez más diferente con el tiempo, lo que afectará negativamente al rendimiento general de la planta.
Existen en la literatura varios estudios que abordan el análisis de la degradación energética de módulos basados en diferentes tecnologías fotovoltaicas. Según un estudio reciente [46] , la degradación de los módulos de silicio cristalino es muy regular, oscilando entre el 0,8% y el 1,0% anual.
Por otro lado, si analizamos el rendimiento de los módulos fotovoltaicos de capa fina, se observa un periodo inicial de fuerte degradación (que puede durar varios meses y hasta dos años), seguido de una etapa posterior en la que la degradación se estabiliza, siendo entonces comparable a la del silicio cristalino. [47] También se observan fuertes variaciones estacionales en dichas tecnologías de capa fina debido a que la influencia del espectro solar es mucho mayor. Por ejemplo, para módulos de silicio amorfo, silicio micromórfico o telururo de cadmio, estamos hablando de tasas de degradación anual para los primeros años de entre el 3% y el 4%. [48] Sin embargo, otras tecnologías, como los CIGS, muestran tasas de degradación mucho menores, incluso en esos primeros años.
En general, el proceso de fabricación de los sistemas fotovoltaicos es sencillo, ya que no requiere la unión de muchas piezas complejas o móviles. Debido a la naturaleza de estado sólido de los sistemas fotovoltaicos, suelen tener una vida útil relativamente larga, de entre 10 y 30 años. Para aumentar la producción eléctrica de un sistema fotovoltaico, el fabricante simplemente debe añadir más componentes fotovoltaicos. Por este motivo, las economías de escala son importantes para los fabricantes, ya que los costes disminuyen a medida que aumenta la producción. [49]
Aunque se sabe que existen muchos tipos de sistemas fotovoltaicos eficaces, el silicio cristalino fotovoltaico representó alrededor del 90% de la producción mundial de PV en 2013. La fabricación de sistemas fotovoltaicos de silicio consta de varios pasos. En primer lugar, se procesa el polisilicio a partir del cuarzo extraído hasta que es muy puro (grado semiconductor). Este se funde cuando se añaden pequeñas cantidades de boro , un elemento del grupo III, para crear un semiconductor de tipo p rico en huecos de electrones. Normalmente, utilizando un cristal semilla, se hace crecer un lingote de esta solución a partir del policristalino líquido. El lingote también se puede fundir en un molde. Las obleas de este material semiconductor se cortan del material a granel con sierras de alambre y luego pasan por un grabado de superficie antes de limpiarlas. A continuación, las obleas se colocan en un horno de deposición de vapor de fósforo que deposita una capa muy fina de fósforo, un elemento del grupo V, que crea una superficie semiconductora de tipo n. Para reducir las pérdidas de energía, se añade un revestimiento antirreflectante a la superficie, junto con contactos eléctricos. Una vez terminada la celda, las celdas se conectan a través de un circuito eléctrico según la aplicación específica y se preparan para el envío y la instalación. [50]
La energía solar fotovoltaica no es una energía completamente "limpia": su producción produce emisiones de gases de efecto invernadero, los materiales utilizados para construir las células son potencialmente insostenibles y se agotarán en algún momento, la tecnología utiliza sustancias tóxicas que causan contaminación y no existen tecnologías viables para reciclar los desechos solares. [51] Los datos necesarios para investigar su impacto a veces se ven afectados por una gran cantidad de incertidumbre. Los valores del trabajo humano y el consumo de agua, por ejemplo, no se evalúan con precisión debido a la falta de análisis sistemáticos y precisos en la literatura científica. [1] Una dificultad para determinar los efectos debidos a la energía fotovoltaica es determinar si los desechos se liberan al aire, al agua o al suelo durante la fase de fabricación. [52] Las evaluaciones del ciclo de vida , que analizan todos los diferentes efectos ambientales que van desde el potencial de calentamiento global , la contaminación, el agotamiento del agua y otros, no están disponibles para la energía fotovoltaica. En cambio, los estudios han tratado de estimar el impacto y el impacto potencial de varios tipos de energía fotovoltaica, pero estas estimaciones generalmente se limitan a simplemente evaluar los costos energéticos de la fabricación y/o el transporte , porque se trata de tecnologías nuevas y se desconoce el impacto ambiental total de sus componentes y métodos de eliminación, incluso para las células solares de primera generación disponibles comercialmente , y mucho menos los prototipos experimentales sin viabilidad comercial. [53]
Por tanto, las estimaciones del impacto medioambiental de la energía fotovoltaica se han centrado en los equivalentes de dióxido de carbono por kWh o en el tiempo de recuperación de la energía (EPBT, por sus siglas en inglés). El EPBT describe el tiempo que necesita un sistema fotovoltaico para funcionar con el fin de generar la misma cantidad de energía que se utilizó para su fabricación. [54] Otro estudio incluye los costes de energía de transporte en el EPBT. [55] El EPBT también se ha definido de forma completamente diferente como "el tiempo necesario para compensar la energía primaria renovable y no renovable total requerida durante el ciclo de vida de un sistema fotovoltaico" en otro estudio, que también incluía los costes de instalación. [56] Esta amortización de energía, expresada en años, también se conoce como tiempo de recuperación de la energía de equilibrio . [57] Cuanto menor sea el EPBT, menor será el coste medioambiental de la energía solar . El EPBT depende en gran medida de la ubicación donde se instala el sistema fotovoltaico (por ejemplo, la cantidad de luz solar disponible y la eficiencia de la red eléctrica) [55] y del tipo de sistema, es decir, los componentes del sistema. [54]
Una revisión de 2015 de las estimaciones de EPBT de la primera y segunda generación de PV sugirió que había una mayor variación en la energía incorporada que en la eficiencia de las celdas, lo que implica que era principalmente la energía incorporada la que necesitaba reducirse para tener una mayor reducción en EPBT. [58]
En general, el componente más importante de los paneles solares, que representa gran parte del uso de energía y de las emisiones de gases de efecto invernadero, es el refinado del polisilicio. [54] En cuanto al porcentaje de silicio que representa el EPBT, depende del tipo de sistema. Un sistema completamente autárquico requiere componentes adicionales ('Balance of System', inversores de potencia , almacenamiento, etc.) que aumentan significativamente el costo energético de fabricación, pero en un sistema simple en el tejado, aproximadamente el 90% del costo energético proviene del silicio, y el resto proviene de los inversores y el marco del módulo. [54]
En un análisis de Alsema et al . de 1998, el tiempo de recuperación de la energía fue superior a 10 años para el sistema anterior en 1997, mientras que para un sistema de tejado estándar el EPBT se calculó entre 3,5 y 8 años. [54] [59]
El EPBT se relaciona estrechamente con los conceptos de ganancia neta de energía (NEG) y energía recuperada sobre la energía invertida (EROI). Ambos se utilizan en economía energética y se refieren a la diferencia entre la energía gastada para recolectar una fuente de energía y la cantidad de energía obtenida de esa recolección. La NEG y la EROI también tienen en cuenta la vida útil operativa de un sistema fotovoltaico y, por lo general, se supone una vida útil de 25 a 30 años. A partir de estas métricas, se puede derivar el tiempo de recuperación de la energía mediante un cálculo. [60] [61]
Los sistemas fotovoltaicos que utilizan silicio cristalino, la gran mayoría de los sistemas en uso práctico, tienen un EPBT tan alto porque el silicio se produce mediante la reducción de arena de cuarzo de alto grado en hornos eléctricos . Este proceso de fundición con coque se produce a altas temperaturas de más de 1000 °C y es muy intensivo en energía, utilizando alrededor de 11 kilovatios-hora (kWh) por kilogramo producido de silicio. [62] Los requisitos energéticos de este proceso hacen que el costo energético por unidad de silicio producido sea relativamente inelástico, lo que significa que el proceso de producción en sí no será más eficiente en el futuro.
Sin embargo, el tiempo de recuperación de la energía se ha acortado significativamente en los últimos años, ya que las células de silicio cristalino se volvieron cada vez más eficientes en la conversión de la luz solar, mientras que el espesor del material de la oblea se redujo constantemente y, por lo tanto, se requirió menos silicio para su fabricación. En los últimos diez años, la cantidad de silicio utilizada para células solares disminuyó de 16 a 6 gramos por vatio pico . En el mismo período, el espesor de una oblea de silicio cristalino se redujo de 300 μm, o micrones , a aproximadamente 160-190 μm. Las técnicas de aserrado que cortan lingotes de silicio cristalino en obleas también han mejorado al reducir la pérdida de corte y facilitar el reciclaje del aserrín de silicio. [63] [64]
Los módulos de silicio cristalino son el tipo de PV más estudiado en términos de ACV, ya que son los más utilizados. Los sistemas fotovoltaicos de silicio monocristalino (mono-si) tienen una eficiencia media del 14,0 %. [66] Las células tienden a seguir una estructura de electrodo frontal, película antirreflejo, capa n, capa p y electrodo posterior, con el sol incidiendo en el electrodo frontal. La EPBT varía de 1,7 a 2,7 años. [67] La cuna a la puerta de CO2 -eq /kWh varía de 37,3 a 72,2 gramos cuando se instala en el sur de Europa. [68]
Las técnicas para producir células fotovoltaicas de silicio policristalino (multi-si) son más simples y económicas que las mono-si, sin embargo tienden a producir células menos eficientes, un promedio del 13,2 %. [66] El EPBT varía de 1,5 a 2,6 años. [67] El consumo de CO2-eq/kWh desde la cuna hasta la puerta varía de 28,5 a 69 gramos cuando se instala en el sur de Europa. [68]
Suponiendo que los siguientes países tuvieran una infraestructura de red de alta calidad como en Europa, en 2020 se calculó que se necesitarían 1,28 años en Ottawa (Canadá) para que un sistema fotovoltaico en azotea produjera la misma cantidad de energía que la necesaria para fabricar el silicio de los módulos que lo componen (excluyendo la plata, el vidrio, los soportes y otros componentes), 0,97 años en Catania ( Italia ) y 0,4 años en Jaipur (India). Fuera de Europa, donde las eficiencias netas de la red son menores, se necesitaría más tiempo. Este " tiempo de recuperación de la energía " puede considerarse como la parte de tiempo durante la vida útil del módulo en la que la producción de energía es contaminante. En el mejor de los casos, esto significa que un panel de 30 años ha producido energía limpia durante el 97% de su vida útil, o que el silicio de los módulos de un panel solar produce un 97% menos de emisiones de gases de efecto invernadero que una planta de carbón para la misma cantidad de energía (suponiendo e ignorando muchas cosas). [55] Algunos estudios han examinado otros efectos ambientales, más allá de la EPBT y el GWP. En uno de esos estudios, se comparó la combinación de energía convencional en Grecia con la energía fotovoltaica multicristalina y se encontró una reducción general del 95% en efectos como carcinógenos, ecotoxicidad, acidificación, eutrofización y once otros. [69]
El telururo de cadmio (CdTe) es una de las células solares basadas en película delgada de más rápido crecimiento , que se conocen colectivamente como dispositivos de segunda generación. Este nuevo dispositivo de película delgada también comparte restricciones de rendimiento similares ( límite de eficiencia de Shockley-Queisser ) a los dispositivos de Si convencionales, pero promete reducir el costo de cada dispositivo al reducir el consumo de material y energía durante la fabricación. La participación de mercado global de CdTe fue del 4,7% en 2008. [52] La eficiencia de conversión de energía más alta de esta tecnología es del 21%. [70] La estructura de la celda incluye un sustrato de vidrio (alrededor de 2 mm), una capa conductora transparente, una capa amortiguadora de CdS (50-150 nm), un absorbente de CdTe y una capa de contacto de metal.
Los sistemas fotovoltaicos de cdte requieren menos energía para su producción que otros sistemas fotovoltaicos comerciales por unidad de producción de electricidad. El CO2-eq promedio / kWh es de alrededor de 18 gramos (de la cuna a la puerta). El cdte tiene el EPBT más rápido de todas las tecnologías fotovoltaicas comerciales, que varía entre 0,3 y 1,2 años. [71]
Los fotovoltaicos de tercera generación están diseñados para combinar las ventajas de los dispositivos de primera y segunda generación y no tienen el límite de Shockley-Queisser , un límite teórico para las células fotovoltaicas de primera y segunda generación. El espesor de un dispositivo de tercera generación es inferior a 1 μm. [72]
Dos nuevas tecnologías prometedoras de película delgada son el sulfuro de cobre, zinc y estaño (Cu2ZnSnS4 o CZTS ), [53] el fosfuro de zinc ( Zn3P2 ) [53] y los nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT). [73] Estas películas delgadas actualmente solo se producen en el laboratorio, pero pueden comercializarse en el futuro. Se espera que los procesos de fabricación de CZTS y (Zn3P2 ) sean similares a los de las tecnologías de película delgada actuales de CIGS y CdTe, respectivamente. Mientras que se espera que la capa absorbente de SWCNT PV se sintetice con el método CoMoCAT. [74] A diferencia de las películas delgadas establecidas como CIGS y CdTe, los CZTS, Zn3P2 y SWCNT PV están hechos de materiales abundantes en la tierra, no tóxicos y tienen el potencial de producir más electricidad anualmente que el consumo mundial actual. [75] [76] Si bien el CZTS y el Zn3P2 ofrecen buenas perspectivas por estas razones, aún no se conocen las implicaciones ambientales específicas de su producción comercial. El potencial de calentamiento global del CZTS y el Zn3P2 se encontró en 38 y 30 gramos de CO2 - eq/ kWh , mientras que su EPBT correspondiente se encontró en 1,85 y 0,78 años, respectivamente. [53] En general, el CdTe y el Zn3P2 tienen efectos ambientales similares, pero pueden superar ligeramente al CIGS y al CZTS. [53] Un estudio sobre los impactos ambientales de los PV SWCNT realizado por Celik et al., que incluye un dispositivo existente con una eficiencia del 1% y un dispositivo teórico con una eficiencia del 28%, encontró que, en comparación con el Si monocristalino, los impactos ambientales del 1% SWCNT fueron ~18 veces mayores debido principalmente a la corta vida útil de tres años. [73]
A lo largo de los años se han producido importantes cambios en los costes subyacentes, la estructura de la industria y los precios de mercado de la tecnología solar fotovoltaica, y obtener una imagen coherente de los cambios que se están produciendo en toda la cadena de valor de la industria a nivel mundial es un desafío. Esto se debe a: "la rapidez de los cambios de costes y precios, la complejidad de la cadena de suministro de energía fotovoltaica, que implica una gran cantidad de procesos de fabricación, el equilibrio del sistema (BOS) y los costos de instalación asociados con los sistemas fotovoltaicos completos, la elección de diferentes canales de distribución y las diferencias entre los mercados regionales en los que se está implementando la energía fotovoltaica". Otras complejidades son el resultado de las numerosas iniciativas de apoyo político que se han puesto en marcha para facilitar la comercialización de la energía fotovoltaica en varios países. [3]
Las tecnologías de energía renovable en general se han vuelto más baratas desde su invención. [78] [79] [80] Los sistemas de energía renovable se han vuelto más baratos de construir que las plantas de energía de combustibles fósiles en gran parte del mundo, gracias a los avances en la tecnología de energía eólica y solar, en particular. [81]
En 1977, los precios de las células solares de silicio cristalino eran de 76,67 dólares por vatio. [83]
Aunque los precios de los módulos al por mayor se mantuvieron estables en torno a los 3,50-4,00 dólares/W a principios de los años 2000 debido a la alta demanda en Alemania y España, gracias a los generosos subsidios y a la escasez de polisilicio, la demanda se desplomó con el final abrupto de los subsidios españoles tras el desplome del mercado de 2008, y el precio cayó rápidamente a 2,00 dólares/W. Los fabricantes pudieron mantener un margen operativo positivo a pesar de una caída del 50% de los ingresos debido a la innovación y a las reducciones de costes. A finales de 2011, los precios de fábrica de los módulos fotovoltaicos de silicio cristalino cayeron repentinamente por debajo de la marca de 1,00 dólares/W, lo que tomó por sorpresa a muchos en la industria y ha provocado la quiebra de varias empresas de fabricación de energía solar en todo el mundo. El coste de 1,00 dólares/W se considera a menudo en la industria fotovoltaica como el logro de la paridad de red para la energía fotovoltaica, pero la mayoría de los expertos no creen que este precio sea sostenible. Los avances tecnológicos, las mejoras en los procesos de fabricación y la reestructuración de la industria pueden significar que es posible que se produzcan nuevas reducciones de precios. [3] El precio minorista promedio de las células solares monitoreado por el grupo Solarbuzz cayó de $ 3,50 / vatio a $ 2,43 / vatio en el transcurso de 2011. [84] En 2013, los precios al por mayor habían caído a $ 0,74 / W. [83] Esto se ha citado como evidencia que respalda la ' ley de Swanson ', una observación similar a la famosa Ley de Moore , que afirma que los precios de las células solares caen un 20% por cada duplicación de la capacidad de la industria. [83] El Instituto Fraunhofer define la 'tasa de aprendizaje' como la caída de los precios a medida que la producción acumulada se duplica, alrededor del 25% entre 1980 y 2010. Aunque los precios de los módulos han caído rápidamente, los precios actuales de los inversores han caído a un ritmo mucho menor, y en 2019 constituyen más del 61% del costo por kWp, desde una cuarta parte a principios de la década de 2000. [55]
Cabe señalar que los precios mencionados anteriormente corresponden a módulos desnudos. Otra forma de analizar los precios de los módulos es incluir los costos de instalación. En los EE. UU., según la Asociación de Industrias de Energía Solar, el precio de los módulos fotovoltaicos instalados en los tejados para los propietarios de viviendas cayó de 9,00 dólares por vatio en 2006 a 5,46 dólares por vatio en 2011. Si se incluyen los precios pagados por las instalaciones industriales, el precio nacional de instalación cae a 3,45 dólares por vatio. Esto es notablemente más alto que en otras partes del mundo: en Alemania, las instalaciones en los tejados de los hogares promediaron 2,24 dólares por vatio. Se cree que las diferencias de costos se basan principalmente en la mayor carga regulatoria y la falta de una política solar nacional en los EE. UU. [85]
A finales de 2012, los fabricantes chinos tenían costes de producción de 0,50 dólares por vatio en los módulos más baratos. [86] En algunos mercados, los distribuidores de estos módulos pueden obtener un margen considerable, comprando a precio de fábrica y vendiendo al precio más alto que el mercado pueda soportar ("precio basado en el valor"). [3] En California, la energía fotovoltaica alcanzó la paridad de red en 2011, que suele definirse como unos costes de producción fotovoltaica iguales o inferiores a los precios de la electricidad al por menor (aunque a menudo siguen siendo superiores a los precios de las centrales eléctricas para la generación a carbón o gas sin su distribución y otros costes). [87] La paridad de red se había alcanzado en 19 mercados en 2014. [88] [89]
Para 2024, los aumentos masivos de la producción de paneles solares en China habían hecho que los precios de los módulos cayeran a tan solo 0,11 dólares por vatio, una reducción de más del 90 por ciento respecto de los precios de 2011. [90]
El costo nivelado de la electricidad (LCOE) es el costo por kWh basado en los costos distribuidos a lo largo de la vida útil del proyecto, y se cree que es una mejor métrica para calcular la viabilidad que el precio por vatio. Los LCOE varían drásticamente según la ubicación. [3] El LCOE puede considerarse el precio mínimo que los clientes tendrán que pagar a la empresa de servicios públicos para que esta alcance el punto de equilibrio en la inversión en una nueva central eléctrica. [5] La paridad de red se logra aproximadamente cuando el LCOE cae a un precio similar a los precios de la red local convencional, aunque en realidad los cálculos no son directamente comparables. [91] Las grandes instalaciones fotovoltaicas industriales habían alcanzado la paridad de red en California en 2011. [80] [91] La paridad de red para los sistemas de tejado todavía se creía mucho más lejana en ese momento. [91] Se cree que muchos cálculos de LCOE no son precisos, y se requiere una gran cantidad de suposiciones. [3] [91] Los precios de los módulos pueden caer aún más, y el LCOE para la energía solar puede caer correspondientemente en el futuro. [92]
Como la demanda de energía aumenta y disminuye a lo largo del día y la energía solar está limitada por el hecho de que se pone el sol, las empresas de energía solar también deben tener en cuenta los costos adicionales de suministrar una fuente de energía alternativa más estable a la red para estabilizar el sistema o almacenar la energía de alguna manera (la tecnología actual de baterías no puede almacenar suficiente energía). Estos costos no se tienen en cuenta en los cálculos del LCOE, ni tampoco los subsidios o primas especiales que pueden hacer que la compra de energía solar sea más atractiva. [5] La falta de fiabilidad y la variación temporal en la generación de energía solar y eólica es un problema importante. Un exceso de estas fuentes de energía volátiles puede causar inestabilidad en toda la red. [93]
A partir de 2017, los precios de los acuerdos de compra de energía para parques solares por debajo de los 0,05 dólares/kWh son comunes en los Estados Unidos, y las ofertas más bajas en algunos países del Golfo Pérsico fueron de alrededor de 0,03 dólares/kWh. [94] El objetivo del Departamento de Energía de los Estados Unidos es lograr un costo nivelado de la energía para la energía solar fotovoltaica de 0,03 dólares/kWh para las empresas de servicios públicos. [95]
Los incentivos financieros para la energía fotovoltaica , como las tarifas de alimentación (FIT), a menudo se han ofrecido a los consumidores de electricidad para instalar y operar sistemas de generación de electricidad solar, y en algunos países estos subsidios son la única forma en que la energía fotovoltaica puede seguir siendo económicamente rentable. En Alemania, los subsidios FIT son generalmente alrededor de 0,13 € por encima del precio minorista normal de un kWh (0,05 €). [96] Las FIT fotovoltaicas han sido cruciales para la adopción de la industria, y están disponibles para los consumidores en más de 50 países a partir de 2011. Alemania y España han sido los países más importantes en cuanto a ofrecer subsidios para la energía fotovoltaica, y las políticas de estos países han impulsado la demanda en el pasado. [3] Algunas empresas estadounidenses de fabricación de células solares se han quejado repetidamente de que la caída de los precios de los módulos fotovoltaicos se ha logrado debido a los subsidios del gobierno de China y al dumping de estos productos por debajo de los precios justos del mercado. Los fabricantes estadounidenses generalmente recomiendan aranceles altos a los suministros extranjeros para permitirles seguir siendo rentables. En respuesta a estas preocupaciones, la administración Obama comenzó a imponer aranceles a los consumidores estadounidenses de estos productos en 2012 para aumentar los precios para los fabricantes nacionales. [3] Sin embargo, Estados Unidos también subsidia a la industria, ofreciendo a los consumidores un crédito fiscal federal del 30% para comprar módulos. En Hawaii, los subsidios federales y estatales reducen hasta dos tercios de los costos de instalación. [85]
Algunos ambientalistas han promovido la idea de que se deberían utilizar incentivos gubernamentales para expandir la industria de fabricación de energía fotovoltaica y reducir los costos de la electricidad generada por ella mucho más rápidamente hasta un nivel en el que pueda competir con los combustibles fósiles en un mercado libre. Esto se basa en la teoría de que cuando la capacidad de fabricación se duplica, las economías de escala harán que los precios de los productos solares se reduzcan a la mitad. [5]
En muchos países, el acceso al capital para desarrollar proyectos fotovoltaicos es insuficiente. Para resolver este problema, se ha propuesto la titulización para acelerar el desarrollo de proyectos solares fotovoltaicos. [87] [97] Por ejemplo, SolarCity ofreció el primer título respaldado por activos de Estados Unidos en la industria solar en 2013. [98]
La energía fotovoltaica también se genera durante un momento del día cercano a la demanda máxima (que la precede) en sistemas eléctricos con un alto uso de aire acondicionado. Dado que el funcionamiento de la energía fotovoltaica a gran escala requiere respaldo en forma de reservas giratorias, su costo marginal de generación en el mediodía suele ser más bajo, pero no cero, cuando la energía fotovoltaica genera electricidad. Esto se puede ver en la Figura 1 de este artículo: [99] En el caso de propiedades residenciales con instalaciones fotovoltaicas privadas conectadas a la red, el propietario puede ganar dinero adicional cuando se incluye el momento de generación, ya que la electricidad vale más durante el día que durante la noche. [100]
Un periodista teorizó en 2012 que si las facturas energéticas de los estadounidenses se hubieran visto obligadas a aumentar mediante la imposición de un impuesto adicional de 50 dólares por tonelada sobre las emisiones de dióxido de carbono de la energía generada a partir de carbón, esto podría haber permitido que la energía solar fotovoltaica pareciera más competitiva en términos de costos para los consumidores en la mayoría de los lugares. [84]
La energía solar fotovoltaica constituyó el mayor cuerpo de investigación entre los siete tipos de energía sostenible examinados en un estudio bibliométrico global , y la producción científica anual creció de 9.094 publicaciones en 2011 a 14.447 publicaciones en 2019. [101]
Asimismo, la aplicación de la energía solar fotovoltaica está creciendo rápidamente y la capacidad instalada mundial alcanzó un teravatio en abril de 2022. [102] La producción total de energía de la capacidad fotovoltaica mundial en un año calendario supera ahora los 500 TWh de electricidad. Esto representa el 2% de la demanda mundial de electricidad. Más de 100 países , como Brasil e India , utilizan energía solar fotovoltaica. [103] [104] A China le siguen Estados Unidos y Japón , mientras que las instalaciones en Alemania , que alguna vez fue el mayor productor del mundo, se han ido desacelerando.
Honduras generó el mayor porcentaje de su energía a partir de energía solar en 2019, 14,8%. [105] A partir de 2019, Vietnam tiene la mayor capacidad instalada en el sudeste asiático, alrededor de 4,5 GW. [106] La tasa de instalación anualizada de alrededor de 90 W per cápita por año coloca a Vietnam entre los líderes mundiales. [106] La generosa tarifa de alimentación (FIT) y las políticas de apoyo del gobierno, como las exenciones de impuestos, fueron la clave para permitir el auge de la energía solar fotovoltaica en Vietnam. Los impulsores subyacentes incluyen el deseo del gobierno de mejorar la autosuficiencia energética y la demanda del público de calidad ambiental local. [106]
Una barrera clave es la capacidad limitada de la red de transmisión. [106]
China tiene la mayor capacidad de energía solar del mundo, con 390 GW de capacidad instalada en 2022, en comparación con unos 200 GW en la Unión Europea, según datos de la Agencia Internacional de Energía. [107] Otros países con las mayores capacidades de energía solar del mundo son Estados Unidos, Japón y Alemania.
En 2017, se pensaba que era probable que para 2030 las capacidades instaladas de energía fotovoltaica a nivel mundial podrían estar entre 3.000 y 10.000 GW. [94] Greenpeace en 2010 afirmó que 1.845 GW de sistemas fotovoltaicos en todo el mundo podrían generar aproximadamente 2.646 TWh/año de electricidad para 2030, y para 2050 más del 20% de toda la electricidad podría ser proporcionada por energía fotovoltaica. [109]
Existen muchas aplicaciones prácticas para el uso de paneles solares o fotovoltaicos que abarcan todos los dominios tecnológicos existentes. Desde los campos de la industria agrícola como fuente de energía para riego hasta su uso en centros de atención médica remotos para refrigerar suministros médicos. Otras aplicaciones incluyen la generación de energía a diversas escalas y los intentos de integrarlos en hogares e infraestructuras públicas. Los módulos fotovoltaicos se utilizan en sistemas fotovoltaicos e incluyen una gran variedad de dispositivos eléctricos.
Un sistema fotovoltaico, o sistema solar fotovoltaico, es un sistema de energía diseñado para suministrar energía solar utilizable por medio de energía fotovoltaica. Consiste en una disposición de varios componentes, incluidos paneles solares para absorber y convertir directamente la luz solar en electricidad, un inversor solar para cambiar la corriente eléctrica de CC a CA, así como montaje, cableado y otros accesorios eléctricos. Los sistemas fotovoltaicos varían desde pequeños sistemas montados en tejados o integrados en edificios con capacidades de unos pocos a varias decenas de kilovatios , hasta grandes centrales eléctricas a escala de servicios públicos de cientos de megavatios . Hoy en día, la mayoría de los sistemas fotovoltaicos están conectados a la red , mientras que los sistemas independientes solo representan una pequeña parte del mercado.
Los fotosensores son sensores de luz u otra radiación electromagnética . [110] Un fotodetector tiene una unión p-n que convierte los fotones de luz en corriente. Los fotones absorbidos forman pares electrón-hueco en la región de agotamiento . Los fotodiodos y los fototransistores son algunos ejemplos de fotodetectores. Las células solares convierten parte de la energía luminosa absorbida en energía eléctrica.
Las células fotovoltaicas de silicio cristalino son solo un tipo de PV y, si bien representan la mayoría de las células solares producidas actualmente, existen muchas tecnologías nuevas y prometedoras que tienen el potencial de ampliarse para satisfacer las necesidades energéticas futuras. A partir de 2018, la tecnología de células de silicio cristalino sirve como base para varios tipos de módulos fotovoltaicos, incluidos los monocristalinos, multicristalinos, mono PERC y bifaciales. [111]
Otra tecnología más nueva, la fotovoltaica de película delgada, se fabrica depositando capas semiconductoras de perovskita , un mineral con propiedades semiconductoras, sobre un sustrato en vacío. El sustrato suele ser vidrio o acero inoxidable, y estas capas semiconductoras están hechas de muchos tipos de materiales, incluidos telururo de cadmio (CdTe), diseleniuro de cobre e indio (CIS), diseleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) y silicio amorfo (a-Si). Después de depositarse sobre el sustrato, las capas semiconductoras se separan y se conectan mediante un circuito eléctrico mediante trazado láser. [112] [113] Las células solares de perovskita son un convertidor de energía solar muy eficiente y tienen excelentes propiedades optoelectrónicas para fines fotovoltaicos, pero su ampliación de células de tamaño de laboratorio a módulos de gran superficie aún está en investigación. [114] Los materiales fotovoltaicos de película delgada posiblemente se vuelvan atractivos en el futuro, debido a los requisitos de materiales reducidos y el costo de fabricación de módulos que consisten en películas delgadas en comparación con las obleas basadas en silicio. [115] En 2019, los laboratorios universitarios de Oxford, Stanford y otros lugares informaron sobre células solares de perovskita con eficiencias del 20-25%. [116]
El seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) es una célula solar de película fina basada en la familia de semiconductores de calcopirita de diseleniuro de cobre e indio (CIS). CIS y CIGS se utilizan a menudo indistintamente dentro de la comunidad CIS/CIGS. La estructura de la célula incluye vidrio sódico-cálcico como sustrato, capa de Mo como contacto posterior, CIS/CIGS como capa absorbente, sulfuro de cadmio (CdS) o Zn (S,OH)x como capa intermedia y ZnO:Al como contacto frontal. [117] El CIGS tiene aproximadamente 1/100 del espesor de las tecnologías de células solares de silicio convencionales. Los materiales necesarios para el montaje están fácilmente disponibles y son menos costosos por vatio de célula solar. Los dispositivos solares basados en CIGS resisten la degradación del rendimiento con el tiempo y son muy estables en el campo.
Los impactos potenciales de calentamiento global reportados de CIGS varían de 20,5 a 58,8 gramos de CO2 - eq/kWh de electricidad generada para diferentes irradiaciones solares (1700 a 2200 kWh/m2 / año) y eficiencia de conversión de energía (7,8 – 9,12%). [118] El EPBT varía de 0,2 a 1,4 años, [71] mientras que el valor armonizado de EPBT se encontró en 1,393 años. [58] La toxicidad es un problema dentro de la capa de amortiguación de los módulos CIGS porque contiene cadmio y galio. [53] [119] Los módulos CIS no contienen ningún metal pesado.
Una célula solar de perovskita (PSC) es un tipo de célula solar que incluye un compuesto con estructura de perovskita , más comúnmente un material híbrido orgánico-inorgánico basado en haluro de plomo o estaño como capa activa de captación de luz. [120] [121] Los materiales de perovskita, como los haluros de plomo y metilamonio y el haluro de plomo y cesio totalmente inorgánico, son baratos de producir y sencillos de fabricar.
Las eficiencias de las células solares de los dispositivos a escala de laboratorio que utilizan estos materiales han aumentado del 3,8 % en 2009 [122] al 25,7 % en 2021 en arquitecturas de unión única [123] [124] y, en células tándem basadas en silicio, al 29,8 %, [123] [125], superando la eficiencia máxima lograda en células solares de silicio de unión única. Por lo tanto, las células solares de perovskita han sido la tecnología solar de más rápido avance a partir de 2016 [120][update] . Con el potencial de lograr eficiencias aún mayores y costos de producción muy bajos, las células solares de perovskita se han vuelto comercialmente atractivas. Los problemas centrales y los temas de investigación incluyen su estabilidad a corto y largo plazo [126] .Las células solares sensibilizadas por colorante (DSC) son una nueva célula solar de película fina. Estas células solares funcionan bajo luz ambiental mejor que otras tecnologías fotovoltaicas. Funcionan con luz absorbida en un colorante sensibilizante entre dos materiales de transporte de carga. El colorante rodea las nanopartículas de TiO2 que están en una red sinterizada. [127] El TiO2 actúa como banda de conducción en un semiconductor de tipo n; el andamio para las moléculas de colorante adornadas y transporta electrones durante la excitación. Para la tecnología DSC de TiO2 , la preparación de la muestra a altas temperaturas es muy eficaz porque las temperaturas más altas producen propiedades de textura más adecuadas. Otro ejemplo de DSC es el complejo de cobre con Cu (II/I) como lanzadera redox con TMBY (4,4',6,6'-tetrametil-2,2'bipiridina). Las DSC muestran un gran rendimiento con luz artificial e interior. Desde un rango de 200 lux a 2000 lux, estas células funcionan en condiciones de una eficiencia máxima del 29,7%. [128]
Sin embargo, ha habido problemas con las DSC, muchos de los cuales provienen del electrolito líquido. El disolvente es peligroso y permeará la mayoría de los plásticos. Debido a que es líquido, es inestable a la variación de temperatura, lo que lleva a congelarse en temperaturas frías y expandirse en temperaturas cálidas causando fallas. [129] Otra desventaja es que la célula solar no es ideal para aplicaciones a gran escala debido a su baja eficiencia. Algunos de los beneficios de la DSC es que se puede utilizar en una variedad de niveles de luz (incluidas las condiciones nubladas), tiene un bajo costo de producción y no se degrada bajo la luz solar, lo que le da una vida útil más larga que otros tipos de células solares de película delgada.
Otras posibles tecnologías fotovoltaicas futuras incluyen la energía fotovoltaica orgánica, sensibilizada con colorante y de puntos cuánticos. [130] La energía fotovoltaica orgánica (OPV) pertenece a la categoría de fabricación de película delgada y, por lo general, opera en un rango de eficiencia de alrededor del 12 %, que es inferior al 12-21 % que suelen observar las energías fotovoltaicas basadas en silicio. Debido a que la energía fotovoltaica orgánica requiere una pureza muy alta y es relativamente reactiva, debe encapsularse, lo que aumenta enormemente el costo de fabricación y significa que no es factible para una gran escala. La energía fotovoltaica sensibilizada con colorante es similar en eficiencia a la OPV, pero es significativamente más fácil de fabricar. Sin embargo, esta energía fotovoltaica sensibilizada con colorante presenta problemas de almacenamiento porque el electrolito líquido es tóxico y potencialmente puede permear los plásticos utilizados en la célula. Las células solares de puntos cuánticos se procesan en solución, lo que significa que son potencialmente escalables, pero actualmente alcanzan un pico de eficiencia del 12 %. [114]
La energía fotovoltaica orgánica y polimérica (OPV) es un área de investigación relativamente nueva. Las capas de la estructura celular OPV tradicional consisten en un electrodo semitransparente, una capa de bloqueo de electrones, una unión túnel, una capa de bloqueo de huecos y un electrodo, sobre el que incide el sol. La OPV reemplaza la plata por carbono como material de electrodo, lo que reduce el costo de fabricación y las hace más respetuosas con el medio ambiente. [131] Las OPV son flexibles, ligeras y funcionan bien con la fabricación de rollo a rollo para la producción en masa. [132] La OPV utiliza "solo elementos abundantes acoplados a una energía incorporada extremadamente baja a través de temperaturas de procesamiento muy bajas utilizando solo condiciones de procesamiento ambientales en equipos de impresión simples que permiten tiempos de recuperación de energía". [133] Las eficiencias actuales varían entre el 1 y el 6,5 %, [56] [134] sin embargo, los análisis teóricos muestran una promesa de eficiencia más allá del 10 %. [133]
Existen muchas configuraciones diferentes de OPV que utilizan distintos materiales para cada capa. La tecnología OPV rivaliza con las tecnologías fotovoltaicas existentes en términos de EPBT, incluso si actualmente presentan una vida útil operativa más corta. Un estudio de 2013 analizó 12 configuraciones diferentes, todas con una eficiencia del 2 %, y la EPBT osciló entre 0,29 y 0,52 años para 1 m2 de PV. [135] El CO2 -eq/kWh promedio para OPV es de 54,922 gramos. [136]
La conversión de energía termofotovoltaica (TPV) es un proceso de conversión directa de calor a electricidad a través de fotones . Un sistema termofotovoltaico básico consta de un objeto caliente que emite radiación térmica y una célula fotovoltaica similar a una célula solar pero ajustada al espectro que emite el objeto caliente. [137]
Como los sistemas TPV generalmente funcionan a temperaturas más bajas que las células solares, su eficiencia tiende a ser baja. La compensación mediante el uso de células multiunión basadas en materiales que no son de silicio es común, pero generalmente muy costosa. Esto limita actualmente los TPV a funciones específicas, como la energía de naves espaciales y la recolección de calor residual de sistemas más grandes, como las turbinas de vapor .También se pueden montar varios módulos solares verticalmente uno encima del otro en una torre, si la distancia cenital del Sol es mayor que cero, y la torre puede girar horizontalmente en su totalidad y cada módulo adicionalmente alrededor de un eje horizontal. En una torre de este tipo, los módulos pueden seguir al Sol exactamente. Un dispositivo de este tipo puede describirse como una escalera montada sobre un disco giratorio. Cada paso de esa escalera es el eje medio de un panel solar rectangular. En caso de que la distancia cenital del Sol llegue a cero, la "escalera" puede girarse hacia el norte o el sur para evitar que un módulo solar produzca una sombra sobre uno inferior. En lugar de una torre exactamente vertical, se puede elegir una torre con un eje dirigido a la estrella polar , es decir, que sea paralela al eje de rotación de la Tierra . En este caso, el ángulo entre el eje y el Sol siempre es mayor de 66 grados. Durante un día solo es necesario girar los paneles alrededor de este eje para seguir al Sol. Las instalaciones pueden montarse en el suelo (y a veces integrarse con la agricultura y el pastoreo) [138] o construirse en el techo o las paredes de un edificio ( fotovoltaica integrada en el edificio ).
En los lugares donde el terreno es limitado, la energía fotovoltaica se puede utilizar como energía solar flotante . En 2008, la Bodega Far Niente fue pionera en el primer sistema "floatovoltaico" del mundo al instalar 994 paneles solares fotovoltaicos en 130 pontones y hacerlos flotar en el estanque de riego de la bodega. [139] [140] Una ventaja de esta instalación es que los paneles se mantienen a una temperatura más baja que la que tendrían en tierra, lo que conduce a una mayor eficiencia de conversión de energía solar. Los paneles flotantes también reducen la cantidad de agua que se pierde por evaporación e inhiben el crecimiento de algas. [141]
La energía fotovoltaica de concentración es una tecnología que, a diferencia de los sistemas fotovoltaicos de placa plana convencionales, utiliza lentes y espejos curvos para concentrar la luz solar en células solares multiunión pequeñas pero muy eficientes . Estos sistemas a veces utilizan seguidores solares y un sistema de refrigeración para aumentar su eficiencia.
En 2019, el récord mundial de eficiencia de células solares con un 47,1 % se logró mediante el uso de células solares concentradoras de unión múltiple , desarrolladas en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable, Colorado, EE. UU. [142] Las eficiencias más altas logradas sin concentración incluyen un material de Sharp Corporation con un 35,8 % utilizando una tecnología de fabricación de triple unión patentada en 2009, [143] y Boeing Spectrolab (40,7 % también utilizando un diseño de triple capa).
Existe un esfuerzo continuo para aumentar la eficiencia de conversión de las células y módulos fotovoltaicos, principalmente para obtener una ventaja competitiva. Para aumentar la eficiencia de las células solares, es importante elegir un material semiconductor con un intervalo de banda apropiado que coincida con el espectro solar. Esto mejorará las propiedades eléctricas y ópticas. Mejorar el método de recolección de carga también es útil para aumentar la eficiencia. Hay varios grupos de materiales que se están desarrollando. Los dispositivos de eficiencia ultraalta (η>30%) [144] se fabrican utilizando semiconductores GaAs y GaInP2 con células en tándem de múltiples uniones. Se utilizan materiales de silicio monocristalino de alta calidad para lograr células de alta eficiencia y bajo costo (η>20%).
Los recientes avances en materia de células fotovoltaicas orgánicas (OPV) han permitido lograr avances significativos en la eficiencia de conversión de energía, que ha pasado del 3 % a más del 15 % desde su introducción en la década de 1980. [145] Hasta la fecha, la eficiencia de conversión de energía más alta registrada oscila entre el 6,7 % y el 8,94 % para las células fotovoltaicas orgánicas de moléculas pequeñas, el 8,4 % y el 10,6 % para las OPV de polímeros y el 7 % y el 21 % para las OPV de perovskita. [146] [147] Se espera que las OPV desempeñen un papel importante en el mercado fotovoltaico. Las mejoras recientes han aumentado la eficiencia y reducido los costes, al tiempo que siguen siendo respetuosas con el medio ambiente y renovables.
Varias empresas han comenzado a incorporar optimizadores de potencia en módulos fotovoltaicos denominados módulos inteligentes . Estos módulos realizan un seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) para cada módulo individualmente, miden datos de rendimiento para su seguimiento y proporcionan funciones de seguridad adicionales. Estos módulos también pueden compensar los efectos de sombreado, en los que una sombra que cae sobre una sección de un módulo hace que la salida eléctrica de una o más cadenas de celdas en el módulo disminuya. [148]
Una de las principales causas de la disminución del rendimiento de las células es el sobrecalentamiento. La eficiencia de una célula solar disminuye aproximadamente un 0,5% por cada grado Celsius de aumento de temperatura. Esto significa que un aumento de 100 grados en la temperatura de la superficie podría reducir la eficiencia de una célula solar a la mitad. Las células solares autoenfriables son una solución a este problema. En lugar de utilizar energía para enfriar la superficie, se pueden formar formas piramidales y cónicas a partir de sílice y adherirlas a la superficie de un panel solar. Al hacerlo, la luz visible llega a las células solares , pero refleja los rayos infrarrojos (que transportan calor). [149]
Los 122 PW de luz solar que llegan a la superficie de la Tierra son abundantes, casi 10.000 veces más que el equivalente a 13 TW de energía promedio consumida por los humanos en 2005. [150] Esta abundancia lleva a sugerir que no pasará mucho tiempo antes de que la energía solar se convierta en la fuente de energía primaria del mundo. [151] Además, la radiación solar tiene la densidad de potencia más alta (media global de 170 W/m 2 ) entre las energías renovables. [150] [ cita requerida ]
La energía solar no contamina durante su uso, lo que permite reducir la contaminación cuando se sustituye por otras fuentes de energía. Por ejemplo, el MIT estimó que 52.000 personas mueren prematuramente al año en los EE. UU. a causa de la contaminación de las centrales eléctricas de carbón [152] y que todas esas muertes, salvo una, podrían evitarse utilizando energía fotovoltaica en sustitución del carbón [153] [154] . Los desechos finales de producción y las emisiones se pueden gestionar utilizando los controles de contaminación existentes. Se están desarrollando tecnologías de reciclaje al final del uso [155] y se están elaborando políticas que fomentan el reciclaje por parte de los productores [156] .
Las instalaciones fotovoltaicas podrían idealmente funcionar durante 100 años o incluso más [157] con poco mantenimiento o intervención después de su instalación inicial, por lo que después del costo de capital inicial de construir cualquier planta de energía solar, los costos operativos son extremadamente bajos en comparación con las tecnologías energéticas existentes.
La electricidad solar conectada a la red se puede utilizar localmente, lo que reduce las pérdidas de transmisión y distribución (las pérdidas de transmisión en los EE.UU. fueron aproximadamente del 7,2% en 1995). [158]
En comparación con las fuentes de energía fósil y nuclear, se ha invertido muy poco dinero en investigación para el desarrollo de células solares, por lo que hay un margen considerable para mejorar. Sin embargo, las células solares experimentales de alta eficiencia ya tienen eficiencias de más del 40% en el caso de las células fotovoltaicas de concentración [159] y las eficiencias están aumentando rápidamente mientras que los costos de producción en masa están cayendo rápidamente. [160]
En algunos estados de los Estados Unidos, gran parte de la inversión en un sistema instalado en el hogar puede perderse si el propietario se muda y el comprador le da menos valor al sistema que el vendedor. La ciudad de Berkeley desarrolló un método de financiamiento innovador para eliminar esta limitación, agregando una evaluación fiscal que se transfiere con la vivienda para pagar los paneles solares. [161] Ahora conocida como PACE , Property Assessed Clean Energy, 30 estados de EE. UU. han duplicado esta solución. [162]
En el caso de los sistemas fotovoltaicos instalados detrás del medidor en los tejados, el flujo de energía se vuelve bidireccional. Cuando hay más generación local que consumo, la electricidad se exporta a la red, lo que permite la medición neta . Sin embargo, las redes eléctricas tradicionalmente no están diseñadas para gestionar la transferencia de energía bidireccional, lo que puede introducir problemas técnicos. Puede surgir un problema de sobretensión cuando la electricidad fluye desde estos hogares fotovoltaicos de vuelta a la red. [163] Existen soluciones para gestionar el problema de la sobretensión, como la regulación del factor de potencia del inversor fotovoltaico, nuevos equipos de control de tensión y energía a nivel del distribuidor de electricidad, la re-conducción de los cables eléctricos, la gestión del lado de la demanda, etc. A menudo existen limitaciones y costes relacionados con estas soluciones.
La alta generación durante el mediodía reduce la demanda neta de generación, pero una mayor demanda neta máxima a medida que se pone el sol puede requerir un aumento rápido de las centrales generadoras de servicios públicos, lo que produce un perfil de carga llamado curva de pato .
No existe una solución milagrosa para la gestión de la demanda y la facturación de la electricidad o la energía, porque los clientes (sitios) tienen diferentes situaciones específicas, por ejemplo, diferentes necesidades de comodidad/conveniencia, diferentes tarifas eléctricas o diferentes patrones de uso. La tarifa eléctrica puede tener algunos elementos, como el cargo diario de acceso y medición, el cargo por energía (basado en kWh, MWh) o el cargo por demanda máxima (por ejemplo, un precio por el mayor consumo de energía durante los 30 minutos de un mes). La energía fotovoltaica es una opción prometedora para reducir los cargos por energía cuando los precios de la electricidad son razonablemente altos y aumentan continuamente, como en Australia y Alemania. Sin embargo, para los sitios con un cargo por demanda máxima, la energía fotovoltaica puede ser menos atractiva si las demandas máximas se producen principalmente a última hora de la tarde o a primera hora de la noche, por ejemplo, en comunidades residenciales. En general, la inversión en energía es en gran medida una decisión económica y es mejor tomar decisiones de inversión basadas en una evaluación sistemática de las opciones en materia de mejora operativa, eficiencia energética, generación in situ y almacenamiento de energía. [164] [165]
Solar photovoltaics: data from a 25-m2 array in Cambridgeshire in 2006
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