La energía fotovoltaica ( PV ) es la conversión de luz en electricidad utilizando materiales semiconductores que exhiben el efecto fotovoltaico , un fenómeno estudiado en física , fotoquímica y electroquímica . El efecto fotovoltaico se utiliza comercialmente para generación de electricidad y como fotosensores .
Un sistema fotovoltaico emplea módulos solares , cada uno de los cuales consta de varias células solares , que generan energía eléctrica. Las instalaciones fotovoltaicas pueden ser montadas en el suelo, en el tejado, en la pared o flotantes. La montura puede ser fija o utilizar un seguidor solar para seguir al sol por el 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 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 energía fotovoltaica como fuente principal requiere sistemas de almacenamiento de energía o distribución global mediante líneas eléctricas de corriente continua de alto voltaje, lo que genera costos adicionales, y también tiene otras desventajas específicas, como la generación de energía variable, que deben equilibrarse. La producción y la instalación causan cierta contaminación y emisiones de gases de efecto invernadero , aunque sólo una fracción de las emisiones causadas por los combustibles fósiles .
Los sistemas fotovoltaicos se han utilizado durante mucho tiempo en aplicaciones especializadas, ya que las instalaciones independientes y los sistemas fotovoltaicos conectados a la red se utilizan desde la década de 1990. [2] Los módulos fotovoltaicos se produjeron por primera vez en masa en el año 2000, cuando el gobierno alemán financió un programa de cien mil tejados. [3] La disminución de los costes ha permitido que la fotovoltaica crezca como fuente de energía. Esto ha sido impulsado en parte por la enorme inversión del gobierno chino en el desarrollo de la capacidad de producción solar desde 2000 y 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. [4] [5] La medición neta y los incentivos financieros, como las tarifas de alimentación preferenciales para la electricidad generada por energía solar, han apoyado las instalaciones de energía solar fotovoltaica en muchos países. [6] Los precios de los paneles se multiplicaron por 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 . [7] 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 Energía esperaba un crecimiento de más de 1 TW entre 2022 y 2027. [8] En algunos casos, la energía fotovoltaica ha ofrecido la fuente de energía eléctrica más barata en regiones con un alto potencial solar, con ofertas para precios tan bajos. como 0,015 USD/ kWh en Qatar en 2023. [9] En 2023, la Agencia Internacional de Energía declaró en su World Energy Outlook que '[p]ara proyectos con financiación de bajo costo que aprovechen recursos de alta calidad, la energía solar fotovoltaica es ahora la más barata. fuente de electricidad en la historia. [10]
El término "fotovoltaica" 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 ( celda electroquímica ). El término "fotovoltaico" se utiliza en inglés desde 1849. [11]
Es posible que George Cove haya inventado un panel fotovoltaico en 1909, aproximadamente 40 años antes de que lo hicieran los Laboratorios Bell en 1950. [13] En 1989, el Ministerio de Investigación alemán inició el primer programa para financiar tejados fotovoltaicos (2200 tejados). Un programa dirigido por Walter Sandtner en Bonn, Alemania. [14]
En 1994, Japón siguió sus pasos y llevó a cabo un programa similar con 539 sistemas fotovoltaicos residenciales instalados. [15] Desde entonces, muchos países han seguido produciendo y financiando sistemas fotovoltaicos a un ritmo exponencial.
La energía fotovoltaica es mejor 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 . [16] [17]
Las células solares producen electricidad de corriente continua a partir de la luz solar que puede utilizarse para alimentar equipos o recargar baterías . La primera aplicación práctica de la energía fotovoltaica fue para 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 para la generación de energía. En este caso se requiere un inversor para convertir CC a CA. Todavía hay un mercado más pequeño para sistemas independientes para viviendas remotas, embarcaciones , vehículos recreativos , automóviles eléctricos , teléfonos de emergencia en carreteras, sensores remotos y protección catódica de tuberías .
La generación de energía fotovoltaica emplea módulos solares compuestos por varias células solares que contienen un material semiconductor. [18] Los cables solares de cobre conectan módulos (cable de módulo), matrices (cable de matriz) y subcampos. Debido a la creciente demanda de fuentes de energía renovables , la fabricación de células solares y paneles fotovoltaicos ha avanzado considerablemente en los últimos años. [19] [20] [21]
Las células requieren protección del medio ambiente y normalmente están empaquetadas herméticamente en módulos solares .
La potencia del módulo fotovoltaico se mide en condiciones de prueba estándar (STC) en "W p " ( vatios pico ). [22] La potencia de salida real en un lugar en particular puede ser menor o mayor que este valor nominal, dependiendo de la ubicación geográfica, la hora del día, las condiciones climáticas y otros factores. [23] Los factores de capacidad de los paneles solares fotovoltaicos suelen ser inferiores al 25% cuando no se combinan con almacenamiento, que es inferior al de muchas otras fuentes industriales de electricidad. [24]
La eficiencia de las células solares se refiere a la porción 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 energética anual del sistema. Por ejemplo, un panel solar con una eficiencia del 20 % y un área de 1 m 2 producirá 200 kWh/año en condiciones de prueba estándar si se expone al valor de irradiancia solar de la condición de prueba estándar de 1000 W/m 2 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/m 2 durante la mayor parte del día. Un panel solar puede producir más cuando el sol está alto en el cielo y producirá menos en condiciones nubladas o cuando el sol está bajo en el cielo, generalmente el sol está más bajo en el cielo en invierno.
Dos factores dependientes de la ubicación que afectan el rendimiento de la energía solar fotovoltaica son la dispersión y la intensidad de la radiación solar. Estas dos variables pueden variar mucho entre cada país. [25] Las regiones globales que tienen altos niveles de radiación durante todo el año son el Medio Oriente, el norte de Chile, Australia, China y el suroeste de Estados Unidos. [25] [26] En un área solar de alto rendimiento como el centro de Colorado, que recibe una insolación anual de 2000 kWh/m 2 /año, [27] se puede esperar que un panel produzca 400 kWh de energía por año. Sin embargo, en Michigan, que recibe sólo 1400 kWh/m 2 /año, [27] el rendimiento energético anual se reducirá a 280 kWh para el mismo panel. En las latitudes más al norte de Europa, los rendimientos son significativamente menores: 175 kWh de rendimiento energético anual en el sur de Inglaterra en las mismas condiciones. [28]
Varios factores afectan la eficiencia de conversión de una celda, incluida su reflectancia , eficiencia termodinámica , eficiencia de separación de portadores de carga , eficiencia de recolección de portadores de carga y valores de eficiencia de conducción . [30] [29] Debido a que estos parámetros pueden ser difíciles de medir directamente, en su lugar se miden otros parámetros, incluida la eficiencia cuántica , la relación de voltaje de circuito abierto (V OC ) y el § Factor de llenado. Las pérdidas por reflectancia se tienen en cuenta en el valor de la eficiencia cuántica, ya que afectan la "eficiencia cuántica externa". Las pérdidas por 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 las células solares es del 47,6%, establecido en mayo de 2022 por Fraunhofer ISE, con una célula CPV de cuatro uniones III-V. [31] Esto superó el récord anterior del 47,1%, establecido en 2019 por células solares concentradoras de uniones múltiples desarrolladas en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) , Golden, Colorado, EE. UU., [32] que se estableció en condiciones de laboratorio, en condiciones extremadamente luz concentrada. El récord en condiciones reales también lo ostenta el NREL, que desarrolló células de triple unión con una eficiencia probada del 39,5%. [33] [34]
El rendimiento del módulo generalmente se califica en condiciones de prueba estándar (STC): irradiancia de 1.000 W/m 2 , espectro solar de AM 1,5 y temperatura del módulo de 25 °C. [35] El voltaje real y la salida de corriente del módulo cambian a medida que cambian las condiciones de iluminación, temperatura y carga, por lo que nunca hay un voltaje específico al que opera 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 nubosidad, las sombras, 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 una pinza amperimétrica de CC o una derivación y se puede registrar, representar gráficamente o representar gráficamente con un registrador gráfico o un registrador de datos.
Para 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. [36]
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 máxima ( vatios-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. [37] El V OC se puede medir con un voltímetro directamente en los terminales de un módulo iluminado o en su cable desconectado.
La potencia nominal máxima, Wp , es la salida máxima en condiciones de prueba estándar (no la salida máxima posible). Los módulos típicos, que podrían medir aproximadamente 1 por 2 metros (3 pies × 7 pies), tendrán una potencia nominal desde 75 W hasta 600 W, dependiendo de su eficiencia. En el momento de la prueba, los módulos de prueba se agrupan según los resultados de la prueba, y un fabricante típico podría calificar sus módulos en incrementos de 5 W y calificarlos en +/- 3%, +/-5%, +3/ -0% o +5/-0%. [38] [39] [40]
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, por lo 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, vida útil y movilidad de los portadores intrínsecos, es decir, electrones y espacios. dentro de la celda fotovoltaica.
La sensibilidad a la temperatura suele describirse mediante coeficientes de temperatura, cada uno de los cuales expresa la derivada del parámetro al que se refiere con respecto a la temperatura de la unión. Los valores de estos parámetros, que se pueden encontrar en cualquier ficha técnica del módulo fotovoltaico, son los siguientes:
- β: Coeficiente de variación de los COV respecto a T, dado por ∂VOC/∂T.
- α: Coeficiente de variación del ISC respecto de T, dado por ∂ISC/∂T.
- δ: Coeficiente de variación de Pmax respecto de T, dado por ∂Pmax/∂T.
Las técnicas para estimar estos coeficientes a partir de datos experimentales se pueden encontrar en la literatura [41].
La capacidad de los módulos solares para resistir daños causados por la lluvia, el granizo , la nieve intensa y los 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 por pruebas para resistir el granizo. [42]
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. [43] Este efecto puede causar una pérdida de energía de hasta un 30%. [44]
El mayor desafío para la tecnología fotovoltaica es el precio de compra por vatio de electricidad producida. Los avances en las tecnologías fotovoltaicas han provocado el proceso de "dopaje" del sustrato de silicio para reducir la energía de activación, lo que hace que el panel sea más eficiente a la hora de convertir fotones en electrones recuperables. [45]
Se aplican productos químicos como el boro (tipo p) al cristal semiconductor para crear niveles de energía donante y aceptor sustancialmente más cercanos a las bandas de valencia y conductora. [46] 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 (EB ) es tan baja, el boro puede ionizarse térmicamente a temperatura ambiente. Esto permite 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 producida, es un factor clave para determinar la producción a largo plazo de una planta fotovoltaica. Para estimar esta degradación se utiliza 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 una misma instalación disminuyen su rendimiento exactamente al mismo ritmo. Dado un conjunto de módulos expuestos a condiciones exteriores de larga duración, se debe considerar la degradación individual de los principales parámetros eléctricos y el aumento de su dispersión. Como cada módulo tiende a degradarse de manera diferente, el comportamiento de los módulos será cada vez más diferente con el tiempo, afectando negativamente al rendimiento general de la planta.
Hay varios estudios que abordan el análisis de la degradación de energía de módulos basados en diferentes tecnologías fotovoltaicas disponibles en la literatura. Según un estudio reciente, [47] 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 película delgada, se observa un período 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 al del silicio cristalino. [48] También se observan fuertes variaciones estacionales en estas tecnologías de película delgada porque 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 durante los primeros años de entre el 3% y el 4%. [49] Sin embargo, otras tecnologías, como CIGS, muestran tasas de degradación mucho más bajas, incluso en esos primeros años.
En general, el proceso de fabricación de energía solar fotovoltaica es simple porque no requiere la culminación de muchas piezas complejas o móviles. Debido a la naturaleza de estado sólido de los sistemas fotovoltaicos, a menudo tienen una vida útil relativamente larga, de 10 a 30 años. Para aumentar la producción eléctrica de un sistema fotovoltaico, el fabricante simplemente debe agregar más componentes fotovoltaicos. Debido a esto, las economías de escala son importantes para los fabricantes, ya que los costos disminuyen al aumentar la producción. [50]
Si bien hay muchos tipos de sistemas fotovoltaicos que se sabe que son efectivos, los sistemas fotovoltaicos de silicio cristalino representaron alrededor del 90% de la producción mundial de sistemas fotovoltaicos en 2013. La fabricación de sistemas fotovoltaicos de silicio consta de varios pasos. Primero, el polisilicio se procesa 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 formar un semiconductor tipo p rico en huecos de electrones. Normalmente, utilizando un cristal semilla, se cultiva un lingote de esta solución a partir del policristalino líquido. El lingote también puede colarse en un molde. Las obleas de este material semiconductor se cortan del material a granel con sierras de alambre y luego se someten a un proceso de grabado superficial antes de limpiarlas. A continuación, las obleas se colocan en un horno de deposición de vapor de fósforo en el que se 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. Después de terminar la celda, las celdas se conectan mediante un circuito eléctrico de acuerdo con la aplicación específica y se preparan para el envío y la instalación. [51]
La energía solar fotovoltaica no es enteramente "energía limpia": su producción produce emisiones de gases de efecto invernadero, los materiales utilizados para construir las células son potencialmente insostenibles y acabarán agotándose, la tecnología utiliza sustancias tóxicas que causan contaminación y no existen tecnologías viables para reciclar la energía solar. desperdiciar. [52] 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. [53] Las evaluaciones del ciclo de vida , que analizan 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 intentado estimar el impacto y el impacto potencial de varios tipos de energía fotovoltaica, pero estas estimaciones generalmente se limitan a evaluar simplemente los costos energéticos de fabricación y/o transporte , porque se trata de nuevas tecnologías y el impacto ambiental total de sus componentes. y se desconocen los métodos de eliminación, incluso para las células solares de primera generación disponibles comercialmente , y mucho menos para los prototipos experimentales sin viabilidad comercial. [54]
Por lo tanto, las estimaciones del impacto ambiental 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). El EPBT describe el tiempo que un sistema fotovoltaico necesita para funcionar para generar la misma cantidad de energía que se utilizó para su fabricación. [55] Otro estudio incluye los costos de energía del transporte en el EPBT. [56] El EPBT también se definió de manera 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 costos de instalación. [57] Esta amortización de energía, expresada en años, también se conoce como tiempo de recuperación de la energía para alcanzar el punto de equilibrio . [58] Cuanto menor sea el EPBT, menor será el coste medioambiental de la energía solar . El EPBT depende enormemente de la ubicación donde está instalado el sistema fotovoltaico (por ejemplo, la cantidad de luz solar disponible y la eficiencia de la red eléctrica) [56] y del tipo de sistema, es decir, de los componentes del sistema. [55]
Una revisión de 2015 de las estimaciones de EPBT de la energía fotovoltaica de primera y segunda generación 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 debía reducirse para lograr una mayor reducción en la EPBT. [59]
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. [55] En cuanto a cuánto porcentaje del EPBT este silicio depende del tipo de sistema. Un sistema totalmente autárquico requiere componentes adicionales ('Equilibrio del sistema', inversores de potencia , almacenamiento, etc.) que aumentan significativamente el coste energético de fabricación, pero en un sistema de tejado simple, alrededor del 90% del coste energético proviene del silicio. y el resto proviene de los inversores y del marco del módulo. [55]
En un análisis de Alsema et al . A partir 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. [55] [60]
El EPBT se relaciona estrechamente con los conceptos de ganancia neta de energía (NEG) y energía recuperada de la energía invertida (EROI). Ambos se utilizan en economía energética y se refieren a la diferencia entre la energía gastada para cosechar una fuente de energía y la cantidad de energía obtenida de esa cosecha. El NEG y el EROI también tienen en cuenta la vida útil de un sistema fotovoltaico y normalmente se supone una vida útil de 25 a 30 años. A partir de estas métricas, el tiempo de recuperación de la energía se puede derivar mediante cálculo. [61] [62]
Los sistemas fotovoltaicos que utilizan silicio cristalino, con diferencia la 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 alta calidad en hornos eléctricos . Este proceso de fundición con coque se produce a altas temperaturas de más de 1000 °C y consume mucha energía, ya que utiliza alrededor de 11 kilovatios-hora (kWh) por kilogramo de silicio producido. [63] Los requisitos energéticos de este proceso hacen que el coste 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, a medida 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 reducía constantemente y, por lo tanto, requería menos silicio para su fabricación. En los últimos diez años, la cantidad de silicio utilizada para las células solares disminuyó de 16 a 6 gramos por vatio pico . En el mismo período, el espesor de una oblea de c-Si se redujo de 300 μm, o micras , 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. [64] [65]
Los módulos de silicio cristalino son el tipo fotovoltaico 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%. [67] Las células tienden a seguir una estructura de electrodo frontal, película antirreflectante, capa n, capa p y electrodo posterior, con el sol incidiendo sobre el electrodo frontal. EPBT oscila entre 1,7 y 2,7 años. [68] La cantidad de CO 2 -eq/kWh desde la cuna hasta la puerta oscila entre 37,3 y 72,2 gramos cuando se instala en el sur de Europa. [69]
Las técnicas para producir células fotovoltaicas de silicio multicristalino (multi-si) son más sencillas y económicas que las de mono-si, aunque tienden a producir células menos eficientes, una media del 13,2%. [67] La EPBT oscila entre 1,5 y 2,6 años. [68] La cantidad de CO 2 -eq/kWh desde el origen hasta la puerta oscila entre 28,5 y 69 gramos cuando se instala en el sur de Europa. [69]
Suponiendo que los siguientes países tuvieran una infraestructura de red de alta calidad como en Europa, en 2020 se calculó que en Ottawa , Canadá, un sistema fotovoltaico en tejado tardaría 1,28 años en producir la misma cantidad de energía que la necesaria para fabricar el silicio en los módulos que contiene (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 la eficiencia neta de la red es menor, llevaría más tiempo. Este ' tiempo de recuperación de la energía ' puede verse como la porción de tiempo durante la vida útil del módulo en el 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 alimentada con carbón durante el mismo tiempo. cantidad de energía (asumiendo e ignorando muchas cosas). [56] Algunos estudios han mirado más allá de EPBT y GWP a otros efectos ambientales. En uno de esos estudios, se comparó la combinación de energía convencional en Grecia con la fotovoltaica multisi y se encontró una reducción general del 95 % en efectos que incluyen carcinógenos, ecotoxicidad, acidificación, eutrofización y otros once. [70]
El telururo de cadmio (CdTe) es una de las células solares de película delgada de más rápido crecimiento , conocidas colectivamente como dispositivos de segunda generación. Este nuevo dispositivo de película delgada también comparte restricciones de rendimiento similares ( límite de eficiencia Shockley-Queisser ) que 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 cuota de mercado global de CdTe fue del 4,7% en 2008. [53] La eficiencia de conversión de energía más alta de esta tecnología es del 21%. [71] 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 metálica.
Los sistemas fotovoltaicos de CdTe requieren menos aporte de energía en su producción que otros sistemas fotovoltaicos comerciales por unidad de producción de electricidad. El promedio de CO 2 -eq/kWh es de alrededor de 18 gramos (de la cuna a la puerta). CdTe tiene el EPBT más rápido de todas las tecnologías fotovoltaicas comerciales, que varía entre 0,3 y 1,2 años. [72]
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. [73]
Dos nuevas y prometedoras tecnologías de película delgada son el sulfuro de cobre, zinc y estaño (Cu 2 ZnSnS 4 o CZTS), [54] fosfuro de zinc (Zn 3 P 2 ) [54] y los nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT). [74] Estas películas delgadas actualmente solo se producen en el laboratorio, pero pueden comercializarse en el futuro. Se espera que la fabricación de los procesos CZTS y (Zn 3 P 2 ) sea similar a la de las actuales tecnologías de película delgada de CIGS y CdTe, respectivamente. Mientras que se espera que la capa absorbente de SWCNT PV se sintetice con el método CoMoCAT. [75] por Contrariamente a las películas delgadas establecidas como CIGS y CdTe, CZTS, Zn 3 P 2 y SWCNT, los fotovoltaicos están hechos de materiales no tóxicos, abundantes en la tierra y tienen el potencial de producir más electricidad anualmente que el consumo mundial actual. [76] [77] Si bien CZTS y Zn 3 P 2 son muy prometedores por estas razones, aún no se conocen las implicaciones ambientales específicas de su producción comercial. El potencial de calentamiento global de CZTS y Zn 3 P 2 se encontró en 38 y 30 gramos CO 2 -eq/kWh, mientras que sus EPBT correspondientes se encontraron en 1,85 y 0,78 años, respectivamente. [54] En general, CdTe y Zn 3 P 2 tienen efectos ambientales similares, pero pueden superar ligeramente a CIGS y CZTS. [54] Un estudio sobre los impactos ambientales de los fotovoltaicos 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% de SWCNT fueron ~18 veces mayor debido principalmente a la corta vida útil de tres años. [74]
A lo largo de los años, se han producido cambios importantes en los costos subyacentes, la estructura industrial y los precios de mercado de la tecnología solar fotovoltaica, y obtener una imagen coherente de los cambios que se producen 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 costos y precios, la complejidad de la cadena de suministro fotovoltaica, que involucra una gran cantidad de procesos de fabricación, el equilibrio del sistema (BOS) y los costos de instalación asociados con sistemas fotovoltaicos completos, la elección de diferentes canales de distribución y diferencias entre los mercados regionales en los que se está implementando la energía fotovoltaica". Otras complejidades surgen de las diferentes iniciativas de apoyo a políticas que se han puesto en marcha para facilitar la comercialización de la energía fotovoltaica en varios países. [2]
Las tecnologías de energía renovable en general se han vuelto más baratas desde su invención. [79] [80] [81] 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. [82]
En 1977, los precios de las células solares de silicio cristalino eran de 76,67 dólares por W. [84]
Aunque los precios mayoristas de los módulos se mantuvieron estables entre 3,50 y 4 dólares por vatio a principios de la década de 2000 debido a la alta demanda en Alemania y España gracias a los generosos subsidios y la escasez de polisilicio, la demanda se desplomó con el fin abrupto de los subsidios españoles después de la caída 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% en los ingresos debido a la innovación y la reducción de costos. A finales de 2011, los precios en fábrica de los módulos fotovoltaicos de silicio cristalino cayeron repentinamente por debajo de la marca de 1 dólar por vatio, lo que tomó a muchos en la industria por sorpresa y ha provocado que varias empresas de fabricación de energía solar quiebren en todo el mundo. En la industria fotovoltaica se suele considerar que el coste de 1 dólar/W marca 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 realizar mayores reducciones de precios. [2] El precio minorista medio de las células solares, según el seguimiento del grupo Solarbuzz, cayó de 3,50 dólares/vatio a 2,43 dólares/vatio en el transcurso de 2011. [85] En 2013, los precios mayoristas habían caído a 0,74 dólares/vatio. [84] Esto ha sido 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. [84] El Instituto Fraunhofer define la "tasa de aprendizaje" como la caída de los precios a medida que se duplica la producción acumulada, 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 representan más del 61% del coste por kWp, frente a una cuarta parte a principios de la década de 2000. [56]
Tenga en cuenta que los precios mencionados anteriormente son para módulos básicos; otra forma de ver los precios de los módulos es incluir los costos de instalación. En Estados Unidos, 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/W en 2006 a 5,46 dólares/W en 2011. Incluyendo los precios pagados por las instalaciones industriales, el precio instalado nacional cae a 3,45 dólares. /W. Esto es notablemente más alto que en otras partes del mundo; en Alemania, las instalaciones en tejados de los propietarios de viviendas promediaron 2,24 dólares/W. Se cree que las diferencias de costos se basan principalmente en la mayor carga regulatoria y la falta de una política solar nacional en Estados Unidos. [86]
A finales de 2012, los fabricantes chinos tenían costes de producción de 0,50 dólares/W en los módulos más baratos. [87] En algunos mercados, los distribuidores de estos módulos pueden obtener un margen considerable, comprando al precio de fábrica y vendiendo al precio más alto que el mercado pueda soportar ("precios basados en el valor"). [2]
En California, la energía fotovoltaica alcanzó la paridad de red en 2011, que generalmente se define como costos de producción fotovoltaica iguales o inferiores a los precios minoristas de la electricidad (aunque a menudo todavía por encima de los precios de las centrales eléctricas para la generación a carbón o gas sin su distribución y otros costos). [88] La paridad de red se alcanzó en 19 mercados en 2014. [89] [90]
El costo nivelado de la electricidad (LCOE) es el costo por kWh basado en los costos distribuidos a lo largo de la vida del proyecto, y se cree que es una mejor métrica para calcular la viabilidad que el precio por vataje. Los LCOE varían drásticamente según la ubicación. [2] El LCOE puede considerarse el precio mínimo que los clientes tendrán que pagar a la empresa de servicios públicos para que esta cubra los gastos de la inversión en una nueva central eléctrica. [4] La paridad de red se logra aproximadamente cuando el LCOE cae a un precio similar al de 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. [81] [91] Todavía se creía que la paridad de red para los sistemas de tejados estaba mucho más lejos en ese momento. [91] Se cree que muchos cálculos del LCOE no son exactos y se requiere una gran cantidad de suposiciones. [2] [91] Los precios de los módulos pueden caer aún más, y el LCOE de la energía solar puede caer correspondientemente en el futuro. [92]
Debido a que 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 energía alternativa más estable a la red para poder estabilizar el sistema o almacenar la energía de alguna manera (la tecnología de batería actual no puede almacenar suficiente energía). Estos costos no se tienen en cuenta en los cálculos del LCOE, ni tampoco subsidios o primas especiales que puedan hacer más atractiva la compra de energía solar. [4] La falta de fiabilidad y la variación temporal en la generación de energía solar y eólica es un problema importante. Demasiadas de estas fuentes de energía volátiles pueden causar inestabilidad en toda la red. [93]
A partir de 2017, los precios del acuerdo de compra de energía para parques solares por debajo de 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 coste nivelado de la energía solar fotovoltaica de 0,03 dólares/kWh para las empresas de servicios públicos. [95]
A menudo se han ofrecido incentivos financieros para la energía fotovoltaica , como tarifas de alimentación (FIT), a los consumidores de electricidad para que instalen y operen sistemas de generación de electricidad solar, y en algunos países esos subsidios son la única forma en que la energía fotovoltaica puede seguir siendo económicamente rentable. En Alemania, las subvenciones FIT suelen rondar los 0,13 euros por encima del precio minorista normal de un kWh (0,05 euros). [96] Las FIT fotovoltaicas han sido cruciales para la adopción de la industria y están disponibles para los consumidores en más de 50 países en 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 impulsada por la demanda en el pasado. [2] 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 elevados 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. [2] Sin embargo, EE.UU. también subsidia a la industria, ofreciendo a los consumidores un crédito fiscal federal del 30% para la compra de módulos. En Hawaii, los subsidios federales y estatales reducen hasta dos tercios de los costos de instalación. [86]
Algunos ambientalistas han promovido la idea de que se deberían utilizar incentivos gubernamentales para expandir la industria de fabricación fotovoltaica y reducir los costos de la electricidad generada con energía fotovoltaica mucho más rápidamente a un nivel en el que sea capaz de competir con los combustibles fósiles en un mercado libre. Esto se basa en la teoría de que cuando la capacidad de fabricación se duplique, las economías de escala harán que los precios de los productos solares se reduzcan a la mitad. [4]
En muchos países falta acceso al capital para desarrollar proyectos fotovoltaicos. Para solucionar este problema, se ha propuesto la titulización para acelerar el desarrollo de proyectos solares fotovoltaicos. [88] [97] Por ejemplo, SolarCity ofreció el primer título estadounidense respaldado por activos en la industria solar en 2013. [98]
La energía fotovoltaica también se genera durante un momento del día cercano al pico de demanda (lo precede) en sistemas eléctricos con alto uso de aire acondicionado. Dado que la operación fotovoltaica a gran escala requiere respaldo en forma de reservas rotativas, su costo marginal de generación a mitad del día 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 extra si se incluye el tiempo 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 de energía de los estadounidenses se hubieran visto forzadas a aumentar mediante la imposición de un impuesto adicional de 50 dólares por tonelada sobre las emisiones de dióxido de carbono provenientes de la energía alimentada con 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 casos. ubicaciones. [85]
La energía solar fotovoltaica formó el mayor conjunto de investigaciones entre los siete tipos de energía sostenible examinados en un estudio bibliométrico global , y la producción científica anual aumentó 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 aproximadamente 90 W per cápita por año coloca a Vietnam entre los líderes mundiales. [106] Las generosas tarifas de alimentación (FIT) y las políticas de apoyo gubernamental, como las exenciones fiscales, fueron la clave para permitir el auge de la energía solar fotovoltaica en Vietnam. Los factores subyacentes incluyen el deseo del gobierno de mejorar la autosuficiencia energética y la demanda del público por la 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 los Estados Unidos, el Japón y Alemania.
En 2017, se creía probable que para 2030 las capacidades fotovoltaicas instaladas 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 que 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 cubren todos los dominios tecnológicos bajo el sol. Desde los campos de la industria agrícola como fuente de energía para el riego hasta su uso en instalaciones sanitarias remotas para refrigerar suministros médicos. Otras aplicaciones incluyen la generación de energía a diversas escalas y los intentos de integrarla en los hogares y la infraestructura pública. 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 mediante energía fotovoltaica. Consta de 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, además de montaje, cableado y otros accesorios eléctricos. Los sistemas fotovoltaicos varían desde sistemas pequeños, montados en tejados o integrados en edificios, con capacidades de unas pocas 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 autónomos sólo representan una pequeña porción 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 energías fotovoltaicas de silicio cristalino son sólo un tipo de energía fotovoltaica 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, monoPERC 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 al vacío. El sustrato suele ser vidrio o acero inoxidable, y estas capas semiconductoras están hechas de muchos tipos de materiales, incluido el telururo de cadmio (CdTe), el diseleniuro de cobre , indio y galio (CIGS) y el 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 aún se está investigando su ampliación desde células del tamaño de un laboratorio a módulos de gran superficie. [114] Los materiales fotovoltaicos de película delgada posiblemente se vuelvan atractivos en el futuro, debido a los menores requisitos de materiales y el costo de fabricar 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 delgada basada en la familia de semiconductores de calcopirita del diseleniuro de cobre, indio y galio (CIS) . CIS y CIGS a menudo se usan indistintamente dentro de la comunidad CIS/CIGS. La estructura celular incluye vidrio sodocálcico como sustrato, capa de Mo como contacto posterior, CIS/CIGS como capa absorbente, sulfuro de cadmio (CdS) o Zn (S,OH)x como capa amortiguadora y ZnO:Al como capa amortiguadora. contacto frontal. [117] 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 informados sobre el calentamiento global del CIGS oscilan entre 20,5 y 58,8 gramos de CO 2 -eq/kWh de electricidad generada para diferentes irradiaciones solares (1.700 a 2.200 kWh/m 2 /año) y eficiencia de conversión de energía (7,8 – 9,12%). [118] La EPBT oscila entre 0,2 y 1,4 años, [72] mientras que el valor armonizado de la EPBT se encontró en 1,393 años. [59] La toxicidad es un problema dentro de la capa amortiguadora de los módulos CIGS porque contiene cadmio y galio. [54] [119] Los módulos CIS no contienen metales pesados.
Una célula solar de perovskita (PSC) es un tipo de célula solar que incluye un compuesto estructurado de perovskita , más comúnmente un material híbrido orgánico-inorgánico a base de plomo o haluro de estaño como capa activa que capta la luz. [120] [121] Los materiales de perovskita, como los haluros de plomo de metilamonio y los haluros de plomo de cesio totalmente inorgánicos, son baratos de producir y sencillos de fabricar.
La eficiencia de las células solares de los dispositivos a escala de laboratorio que utilizan estos materiales ha aumentado del 3,8% en 2009 [122] al 25,7% en 2021 en arquitecturas de unión única, [123] [124] y, en células en tándem basadas en silicio, al 29,8 %, [123] [125] superando la eficiencia máxima lograda en células solares de silicio de unión simple. Por lo tanto, las células solares de perovskita son desde 2016 la tecnología solar que avanza más rápidamente [actualizar]. [120] 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 novedosa célula solar de película delgada. Estas células solares funcionan mejor con luz ambiental que otras tecnologías fotovoltaicas. Funcionan con luz absorbida en un tinte sensibilizante entre dos materiales de transporte de carga. El tinte rodea las nanopartículas de TiO 2 que se encuentran en una red sinterizada. [127] El TiO 2 actúa como banda de conducción en un semiconductor de tipo n; El andamio para las moléculas de tinte adornadas y transporta las elecciones durante la excitación. Para la tecnología TiO 2 DSC, la preparación de muestras a altas temperaturas es muy efectiva porque temperaturas más altas producen propiedades texturales 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). Los DSC muestran un gran rendimiento con luz artificial e interior. Desde un rango de 200 lux a 2.000 lux, estas células funcionan en condiciones de una eficiencia máxima del 29,7%. [128]
Sin embargo, ha habido problemas con las DSC, muchas de las cuales provienen del electrolito líquido. El disolvente es peligroso y penetrará en la mayoría de los plásticos. Debido a que es líquido, es inestable a las variaciones de temperatura, lo que provoca congelación en temperaturas frías y expansión en temperaturas cálidas, lo que provoca 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 DSC es que se puede utilizar en una variedad de niveles de luz (incluidas condiciones nubladas), tiene un bajo costo de producción y no se degrada bajo la luz del sol, lo que le otorga una vida útil más larga que otros tipos de película delgada. células solares.
Otras posibles tecnologías fotovoltaicas futuras incluyen la energía fotovoltaica orgánica, sensibilizada por colorantes y de puntos cuánticos. [130] La energía fotovoltaica orgánica (OPV) entra en la categoría de fabricación de película delgada y normalmente opera alrededor del rango de eficiencia del 12%, que es inferior al 12-21% que suelen observar los fotovoltaicos basados en silicio. Debido a que las energías fotovoltaicas orgánicas requieren una pureza muy alta y son relativamente reactivas, deben encapsularse, lo que aumenta enormemente el costo de fabricación y significa que no son viables para una ampliación a gran escala. Los PV sensibilizados por colorante tienen una eficiencia similar a los OPV, pero son mucho más fáciles de fabricar. Sin embargo, estos fotovoltaicos sensibilizados con colorantes presentan problemas de almacenamiento porque el electrolito líquido es tóxico y potencialmente puede permear los plásticos utilizados en la celda. Las células solares de puntos cuánticos se procesan en solución, lo que significa que son potencialmente escalables, pero actualmente alcanzan un máximo de eficiencia del 12%. [114]
La energía fotovoltaica orgánica y polimérica (OPV) es un área de investigación relativamente nueva. Las capas tradicionales de la estructura celular OPV consisten en un electrodo semitransparente, una capa de bloqueo de electrones, una unión de túnel, una capa de bloqueo de orificios y un electrodo, y el sol incide sobre el electrodo transparente. OPV reemplaza la plata con carbono como material de electrodo, reduciendo el costo de fabricación y haciéndolos más amigables con el medio ambiente. [131] Las OPV son flexibles, pesan poco y funcionan bien con la fabricación rollo a rollo para la producción en masa. [132] OPV utiliza "sólo elementos abundantes acoplados a una energía incorporada extremadamente baja a través de temperaturas de procesamiento muy bajas utilizando sólo condiciones ambientales de procesamiento en equipos de impresión simples que permiten tiempos de recuperación de energía". [133] Las eficiencias actuales oscilan entre el 1% y el 6,5%, [57] [134] sin embargo, los análisis teóricos muestran promesas de eficiencia más allá del 10%. [133]
Existen muchas configuraciones diferentes de OPV que utilizan diferentes materiales para cada capa. La tecnología OPV rivaliza con las tecnologías fotovoltaicas existentes en términos de EPBT, incluso si actualmente presentan una vida operativa más corta. Un estudio de 2013 analizó 12 configuraciones diferentes, todas con una eficiencia del 2 %; el EPBT osciló entre 0,29 y 0,52 años para 1 m 2 de energía fotovoltaica. [135] El promedio de CO 2 -eq/kWh para las 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 sintonizada con el espectro que admite el objeto caliente. [137]
Como los sistemas TPV generalmente funcionan a temperaturas más bajas que las células solares, su eficiencia tiende a ser baja. Compensar esto mediante el uso de celdas multiunión basadas en materiales distintos del silicio es común, pero generalmente muy costoso. Actualmente, esto limita el 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 .En una torre también se pueden montar varios módulos solares verticalmente unos encima de otros, si la distancia al cenit del Sol es mayor que cero, y la torre en su conjunto se puede girar horizontalmente y cada módulo adicionalmente alrededor de un eje horizontal. En una torre de este tipo, los módulos pueden seguir exactamente al Sol. Un dispositivo de este tipo puede describirse como una escalera montada sobre un disco giratorio. Cada escalón 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" se puede girar hacia el norte o hacia el sur para evitar que un módulo solar produzca 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, paralelo al eje de rotación de la Tierra . En este caso el ángulo entre el eje y el Sol es siempre mayor que 66 grados. Durante el día sólo es necesario girar los paneles alrededor de este eje para seguir al Sol. Las instalaciones pueden estar montadas en el suelo (y a veces integradas con la agricultura y el pastoreo) [138] o integradas en el techo o las paredes de un edificio ( energía fotovoltaica integrada en el edificio ).
Cuando el terreno puede ser limitado, la energía fotovoltaica se puede implementar 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] Un beneficio de la configuración es que los paneles se mantienen a una temperatura más baja que la que tendrían en tierra, lo que lleva a una mayor eficiencia de la conversión de energía solar. Los paneles flotantes también reducen la cantidad de agua perdida 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 enfocar la luz solar en células solares de múltiples uniones , pequeñas pero altamente eficientes. Estos sistemas en ocasiones utilizan seguidores solares y un sistema de refrigeración para aumentar su eficiencia.
En 2019, el récord mundial de eficiencia de células solares del 47,1 % se logró mediante el uso de células solares concentradoras de uniones múltiples , 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 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 una banda prohibida adecuada que coincida con el espectro solar. Esto mejorará las propiedades eléctricas y ópticas. Mejorar el método de recaudación de cargos 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 celdas en tándem multiunión. Se utilizan materiales de silicio monocristalino de alta calidad para lograr células de alta eficiencia y bajo costo (η>20%).
Los desarrollos recientes en células fotovoltaicas orgánicas (OPV) han logrado avances significativos en la eficiencia de conversión de energía 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 reportada oscila entre 6,7 y 8,94 % para moléculas pequeñas, entre 8,4 y 10,6 % para OPV de polímero y entre 7 y 21 % para 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 costos, sin dejar de ser respetuosas con el medio ambiente y renovables.
Varias empresas han comenzado a incorporar optimizadores de energía en módulos fotovoltaicos llamados módulos inteligentes . Estos módulos realizan un seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) para cada módulo individualmente, miden datos de rendimiento para monitoreo y brindan características de seguridad adicionales. Dichos módulos también pueden compensar los efectos de sombra, en los que una sombra que cae a través de una sección de un módulo hace que disminuya la salida eléctrica de una o más cadenas de celdas en el módulo. [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 aproximadamente a la mitad. Las células solares autorefrigerantes son una solución a este problema. En lugar de utilizar energía para enfriar la superficie, se pueden formar formas de pirámide y cono a partir de sílice y unirlas a la superficie de un panel solar. Hacerlo permite que la luz visible llegue 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 los 13 TW equivalentes de energía promedio consumida en 2005 por los humanos. [150] Esta abundancia lleva a sugerir que no pasará mucho tiempo antes de que la energía solar se convierta en la principal fuente de energía del mundo. [151] Además, la radiación solar tiene la mayor densidad de potencia (media global de 170 W/m 2 ) entre las energías renovables. [150] [ cita necesaria ]
La energía solar no contamina durante su uso, lo que le permite reducir la contaminación cuando se sustituye por otras fuentes de energía. Por ejemplo, el MIT estimó que 52.000 personas por año mueren prematuramente en los EE. UU. debido a la contaminación de las centrales eléctricas alimentadas con carbón [152] y todas menos una de estas muertes podrían evitarse utilizando energía fotovoltaica para reemplazar el carbón. [153] [154] Los desechos finales de producción y las emisiones son manejables utilizando los controles de contaminación existentes. Se están desarrollando tecnologías de reciclaje de fin de uso [155] y se están elaborando políticas que fomentan el reciclaje por parte de los productores. [156]
Idealmente, las instalaciones fotovoltaicas podrían 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, reduciendo así las pérdidas de transmisión/distribución (las pérdidas de transmisión en los EE.UU. fueron aproximadamente del 7,2% en 1995). [158]
En comparación con las fuentes de energía fósiles y nuclear, se ha invertido muy poco dinero en investigación en el desarrollo de células solares, por lo que hay un considerable margen de mejora. Sin embargo, las células solares experimentales de alta eficiencia ya tienen eficiencias superiores al 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 Estados Unidos, gran parte de la inversión en un sistema montado 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 financiación innovador para eliminar esta limitación, añadiendo una evaluación fiscal que se transfiere con la casa para pagar los paneles solares. [161] Ahora conocida como PACE , Property Assessed Clean Energy, 30 estados de EE. UU. han duplicado esta solución. [162]
Para los sistemas fotovoltaicos en tejados detrás del medidor, 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 hacer frente a 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 regreso 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, reconductores de los cables eléctricos, gestión del lado de la demanda, etc. A menudo existen limitaciones. y costos 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 rápido aumento de las estaciones generadoras de servicios públicos, lo que produce un perfil de carga llamado curva de pato .
No existe una solución milagrosa en la gestión de la demanda y las facturas de electricidad o energía, porque los clientes (los sitios) tienen diferentes situaciones específicas, por ejemplo, diferentes necesidades de comodidad/conveniencia, diferentes tarifas de electricidad o diferentes patrones de uso. La tarifa eléctrica puede tener algunos elementos, como un cargo diario de acceso y medición, un cargo por energía (basado en kWh, MWh) o un cargo por demanda máxima (por ejemplo, un precio por el consumo de energía más alto de 30 minutos en 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 cargos por demanda máxima, la energía fotovoltaica puede ser menos atractiva si las demandas máximas ocurren principalmente entre las últimas horas de la tarde y las primeras horas 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 opciones en materia de mejora operativa, eficiencia energética, generación in situ y almacenamiento de energía. [164] [165]
Energía solar fotovoltaica: datos de un conjunto de 25 m2 en Cambridgeshire en 2006
{{cite book}}: |work=ignorado ( ayuda ){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)Comparación del tiempo de recuperación de la energía para células fotovoltaicas (Alsema, Frankl, Kato, 1998, p. 5
{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )
