Tipos de celdas
Solar fotovoltaico: Celdas de película delgada
Contenido
Las tecnologías de película delgada representan la segunda generación de celdas solares, desarrolladas con el objetivo de reducir la cantidad de material semiconductor necesario y simplificar los procesos de fabricación. A diferencia de las celdas cristalinas que requieren obleas relativamente gruesas (150-200 μm), las tecnologías de película delgada utilizan capas semiconductoras extremadamente finas (0.5-5 μm) depositadas sobre sustratos de bajo costo.
Celdas de silicio amorfo (a-Si)
El silicio amorfo fue la primera tecnología de película delgada en comercializarse a escala significativa. A diferencia del silicio cristalino, el silicio amorfo no presenta una estructura atómica ordenada de largo alcance, lo que altera fundamentalmente sus propiedades electrónicas y ópticas, permitiendo una mayor absorción de luz con mucho menos material.
DATOS
Características técnicas
Eficiencia: 6-9% en módulos comerciales, hasta 14% en laboratorio para estructuras multicapa
Apariencia: Marrón rojizo a negro, uniforme
Grosor de celda: 0.3-2 μm (comparado con 150-200 μm de las celdas cristalinas
Coeficiente de temperatura: -0.20 a -0.30%/°C (significativamente mejor que las celdas cristalinas)
Vida útil: 15-25 años
Proceso de fabricación
Medio ambiente y costos
Aspectos medioambientales
Las celdas de silicio amorfo presentan varias ventajas medioambientales significativas. El proceso de fabricación requiere temperaturas mucho más bajas (150-300°C comparado con >1400°C para silicio cristalino), reduciendo drásticamente el consumo energético. Además, la cantidad de silicio utilizado es aproximadamente 1% del necesario para una celda cristalina de igual superficie.
Estos factores contribuyen a una huella de carbono reducida, típicamente 15-25 g CO₂-eq/kWh, y a un tiempo de retorno energético excepcionalmente bajo de 0.5-1.5 años, el más favorable entre todas las tecnologías fotovoltaicas comerciales.
Sin embargo, existen algunas preocupaciones ambientales. El proceso utiliza silano, un gas altamente inflamable y potencialmente explosivo que requiere protocolos de seguridad estrictos. Además, los contactos transparentes tradicionales utilizan indio, un metal relativamente escaso cuya disponibilidad podría ser limitante para la producción a gran escala.
El reciclaje de módulos de silicio amorfo presenta desafíos específicos debido a la dificultad de separar las capas extremadamente delgadas del sustrato, aunque se están desarrollando procesos específicos para recuperar los materiales valiosos.
RESUMEN
Resumen medioambiental
Medioambiente
- Bajo consumo energético: Requiere temperaturas mucho más bajas que las tecnologías cristalinas.
- Menor uso de material: Utiliza apenas 1% del silicio necesario para una celda cristalina de igual área.
- Emisiones de CO₂: 15-25 g CO₂-eq/kWh.
- Gases peligrosos: El proceso utiliza silano, un gas altamente inflamable y potencialmente explosivo.
- Reciclabilidad limitada: La separación de las capas delgadas del sustrato puede ser difícil, complicando el reciclaje.
Aspectos económicos
El costo de producción de celdas de silicio amorfo se sitúa típicamente entre 0,30-0,40 €/Wp. Aunque este costo por vatio es comparable al de tecnologías cristalinas, la menor eficiencia significa que el costo por metro cuadrado es significativamente menor, lo que puede ser ventajoso para ciertas aplicaciones.
Los procesos de fabricación permiten un alto grado de automatización y son compatibles con técnicas de producción continua, lo que reduce los costos laborales. Además, la menor temperatura de procesamiento disminuye significativamente los costos energéticos durante la fabricación.
Un factor económico importante es el fenómeno conocido como "efecto Staebler-Wronski", una degradación inicial del rendimiento (10-30% en los primeros meses de exposición a la luz) que requiere un sobredimensionamiento de los sistemas para compensar esta pérdida, afectando la relación costo-beneficio.
Resumen económico
RESUMEN
Económico
- Coste de producción: 0.30-0.40 €/Wp, competitivo a pesar de su menor eficiencia.
- Alta automatización: Los procesos de fabricación permiten un alto grado de automatización, reduciendo costos laborales.
- Versatilidad de aplicación: La flexibilidad y ligereza abren mercados específicos como la integración en edificios.
- Degradación inicial: El efecto Staebler-Wronski causa una degradación del 10-30% en los primeros meses, requiriendo sobredimensionamiento.
- Retorno energético: EPBT de 0.5-1.5 años, el más bajo entre todas las tecnologías fotovoltaicas.
Ventajas e inconvenientes
Ventajas
- Excelente rendimiento con luz difusa y bajo condiciones de iluminación parcial
- Mejor coeficiente de temperatura que las celdas cristalinas
- Flexibilidad en sustratos (incluidos materiales ligeros y flexibles)
- Menor huella de carbono y rápido retorno energético
- Aspecto estético homogéneo, ideal para integración arquitectónica
- Buen rendimiento en climas cálidos
Inconvenientes
- Eficiencia significativamente menor que las tecnologías cristalinas
- Degradación inicial por efecto Staebler-Wronski
- Mayor superficie requerida para la misma potencia
- Menor durabilidad a largo plazo
- Tecnología en declive comercial, superada por alternativas de película delgada más eficientes
Celdas de telururo de cadmio (CdTe)
El telururo de cadmio representa actualmente la tecnología de película delgada más exitosa comercialmente, con una cuota significativa del mercado fotovoltaico global. Su combinación de eficiencia relativamente alta, bajo costo de producción y excelente rendimiento energético la ha posicionado como la principal alternativa a las tecnologías de silicio cristalino.
DATOS
Características técnicas
Eficiencia: 16-19% en módulos comerciales, hasta 22.1% en laboratorio
Apariencia: Negro uniforme con ligero tinte verdoso o azulado
Grosor de celda: 2-8 μm
Coeficiente de temperatura: -0.25 a -0.35%/°C
Vida útil: 25-30 años
Proceso de fabricación
Medio ambiente y costos
Aspectos medioambientales
La cuestión ambiental más frecuentemente planteada respecto a la tecnología CdTe es la toxicidad del cadmio, un metal pesado con efectos adversos conocidos para la salud. Sin embargo, en los paneles solares, el cadmio está en forma estable de telururo de cadmio, un compuesto que presenta riesgos mucho menores que el cadmio elemental.
Diversos estudios, incluidos los de Brookhaven National Laboratory, han demostrado que en condiciones normales de operación e incluso en escenarios de incendio, la liberación de cadmio es extremadamente limitada debido al encapsulamiento entre capas de vidrio. Además, la cantidad total de cadmio en un panel CdTe es relativamente pequeña (aproximadamente 7 g/m²) y proviene principalmente de subproductos de la minería del zinc, por lo que su uso en paneles solares no incrementa significativamente la extracción global.
Una consideración importante es la escasez del teluro, uno de los elementos más raros en la corteza terrestre, con una abundancia similar a la del platino. Esta limitación podría restringir el escalado masivo de la tecnología, aunque First Solar y otros fabricantes han establecido programas de investigación para reducir el consumo de teluro por vatio y asegurar fuentes de suministro a largo plazo.
En términos de emisiones de CO₂, la tecnología CdTe presenta uno de los perfiles más favorables, con 12-20 g CO₂-eq/kWh, debido a su proceso de fabricación energéticamente eficiente y su buen rendimiento.
First Solar, el principal fabricante, ha implementado un sistema integral de reciclaje que recupera más del 90% de los materiales semiconductores y el 90% del vidrio para su reutilización, estableciendo un modelo de economía circular para la industria fotovoltaica.
Resumen medioambiental
RESUMEN
Medioambiente
- Alto consumo energético: El proceso Czochralski requiere temperaturas extremadamente altas durante periodos prolongados.
- Emisiones de CO₂: La huella de carbono en la producción es de 30-45 g CO₂-eq/kWh.
- Uso de productos químicos: Se emplean ácidos (HF, HNO₃, H₂SO₄) y solventes en la limpieza y texturizado.
- Residuos de silicio: El corte genera grandes cantidades de "silicon kerf" que tradicionalmente ha sido difícil de reciclar.
- Metales pesados: La pasta de metalización contiene pequeñas cantidades de plomo y otros metales, aunque la industria está transitando hacia formulaciones sin plomo.
Aspectos económicos
La tecnología CdTe ha logrado uno de los costos de producción más bajos del mercado fotovoltaico, entre 0,20-0,30 €/Wp. Esta ventaja económica deriva principalmente de tres factores: un proceso de fabricación simplificado, menor consumo energético durante la producción y excelente rendimiento energético por vatio instalado.
El proceso de producción requiere significativamente menos pasos que las tecnologías de silicio cristalino y puede realizarse en líneas integradas verticalmente, reduciendo costos logísticos y de manipulación. Las temperaturas de procesamiento más bajas también contribuyen a un menor consumo energético durante la fabricación.
Un aspecto económico potencialmente limitante es la disponibilidad del teluro, cuyas reservas conocidas podrían restringir la capacidad de crecimiento a largo plazo. Sin embargo, análisis recientes sugieren que las reservas serían suficientes para varios cientos de GW de producción anual, especialmente considerando las mejoras continuas en la eficiencia de uso del material y las posibilidades de recuperación a través del reciclaje.
El tiempo de retorno energético (EPBT) de 0,8-1,8 años es particularmente favorable, significando que un panel CdTe produce durante su vida útil entre 15-30 veces la energía requerida para su fabricación.
RESUMEN
Resumen económico
Económico
- Coste de producción: 0,20-0,30 €/Wp, uno de los más bajos del mercado.
- Proceso simplificado: Menor número de pasos en la fabricación respecto a las tecnologías cristalinas.
- Limitación de recursos: La escasez de teluro podría limitar la producción a largo plazo y aumentar los costos.
- Retorno energético: EPBT de 0,8-1,8 años.
Ventajas e inconvenientes
Ventajas
- Excelente relación costo-eficiencia
- Proceso de fabricación simplificado y energéticamente eficiente
- Mejor rendimiento que el silicio cristalino en condiciones de alta temperatura
- Buen coeficiente de temperatura
- Rápido retorno energético y baja huella de carbono
- Tecnología probada con más de 25 GW instalados globalmente
Inconvenientes
- Limitaciones potenciales en el suministro de teluro a largo plazo
- Preocupaciones públicas sobre el uso de cadmio, aunque los riesgos reales son mínimos
- Menor eficiencia que las mejores tecnologías cristalinas
- Número limitado de fabricantes a escala comercial
- Tecnología menos conocida por instaladores y diseñadores
Celdas CIGS (Cobre, Indio, Galio, Selenio)
Las celdas CIGS representan una tecnología de película delgada avanzada que ha alcanzado las eficiencias más altas dentro de esta categoría. Su nombre deriva de los elementos que componen el semiconductor principal: cobre, indio, galio y selenio, formando una estructura calcopirita con excelentes propiedades fotovoltaicas.
DATOS
Características técnicas
Eficiencia: 15-20% en módulos comerciales, hasta 23,4% en laboratorio
Apariencia: Negro a gris oscuro uniforme
Grosor de celda: 1,5-3 μm
Coeficiente de temperatura: -0.30 a -0.40%/°C
Vida útil: 25-30 años
Proceso de fabricación
Medio ambiente y costos
Aspectos medioambientales
Las celdas CIGS presentan un perfil ambiental mixto. Por un lado, utilizan menor cantidad de material semiconductor que las tecnologías cristalinas y no requieren el procesamiento energéticamente intensivo del silicio. Por otro lado, emplean algunos elementos relativamente escasos y potencialmente problemáticos.
El indio y el galio son subproductos de la minería de otros metales (zinc y aluminio, respectivamente) y tienen suministros limitados. Particularmente el indio, también utilizado en pantallas LCD y táctiles, podría enfrentar limitaciones de disponibilidad si la producción de CIGS se escala masivamente. La huella de carbono de las celdas CIGS se sitúa típicamente entre 20-30 g CO₂-eq/kWh, favorable aunque ligeramente superior a la de CdTe.
La capa buffer tradicional contiene cadmio (como CdS), aunque en cantidades mucho menores que en celdas CdTe. Muchos fabricantes están transitando hacia alternativas sin cadmio como Zn(O,S) o In₂S₃, especialmente para el mercado europeo donde las regulaciones ambientales son más estrictas.
El reciclaje de módulos CIGS está en desarrollo, con varias aproximaciones para recuperar los metales valiosos, particularmente indio y galio. La complejidad de la estructura multicapa representa un desafío adicional para la recuperación eficiente de materiales.
Resumen medioambiental
RESUMEN
Medioambiente
- Elementos escasos: Indio y galio son elementos relativamente raros, asociados principalmente a la minería del zinc y aluminio respectivamente.
- Emisiones de CO₂: 20-30 g CO₂-eq/kWh.
- Uso de cadmio: La capa buffer tradicional contiene cadmio, aunque existen alternativas sin este elemento.
- Consumo energético: Intermedio entre el silicio amorfo y las tecnologías cristalinas.
Aspectos económicos
El costo de producción de las celdas CIGS ha sido históricamente superior al de otras tecnologías de película delgada debido a la complejidad del proceso y el uso de equipamiento de vacío. Los costos actuales se sitúan entre 0,25-0,40 €/Wp, variables según el fabricante y la escala de producción.
La volatilidad de precios del indio representa un factor de incertidumbre económica. Entre 2002 y 2014, el precio del indio fluctuó entre $100 y $900 por kilogramo, complicando las proyecciones de costos a largo plazo.
Una ventaja económica de la tecnología CIGS es su alta eficiencia entre las opciones de película delgada, lo que mejora el retorno de inversión por área instalada. También presenta excelente rendimiento en condiciones de luz difusa o ángulos de incidencia oblicuos, lo que puede aumentar la producción energética total en ciertos entornos.
El tiempo de retorno energético (EPBT) se sitúa entre 0,8-2,0 años, favorable aunque ligeramente superior al de CdTe debido principalmente a la mayor complejidad de fabricación. Esto significa que un panel CIGS genera durante su vida útil entre 12-30 veces la energía requerida para su producción.
La industria CIGS ha pasado por ciclos de expansión y contracción, con varios fabricantes importantes abandonando el mercado. Sin embargo, compañías como Solar Frontier (Japón) y Avancis (Alemania/China) han logrado establecer producción a escala comercial, demostrando viabilidad económica bajo ciertas condiciones de mercado.
RESUMEN
Resumen económico
Económico
- Coste de producción: 0,25-0,40 €/Wp, variable debido a la complejidad del proceso y la fluctuación en los precios de las materias primas.
- Volatilidad de precios: El indio es un metal con gran volatilidad de precios, afectando la previsibilidad de costos.
- Alta eficiencia: Ofrece la mayor eficiencia entre las tecnologías de película delgada, mejorando el retorno de inversión.
- Retorno energético: EPBT de 0,8-2,0 años.
Ventajas e inconvenientes
Ventajas
- Alta eficiencia entre las tecnologías de película delgada
- Excelente rendimiento con luz difusa y ángulos de incidencia oblicuos
- Aspecto estético atractivo y uniforme
- Versatilidad en sustratos, incluyendo opciones flexibles y ligeras
- Buen coeficiente de temperatura y rendimiento en climas cálidos
- Potencial para ajustar la banda prohibida mediante la ratio Ga/In
Inconvenientes
- Proceso de fabricación complejo con desafíos de escalabilidad
- Dependencia de elementos relativamente escasos (indio, galio)
- Mayor variabilidad en calidad y rendimiento entre fabricantes
- Precio típicamente superior a otras tecnologías de película delgada
- Menor disponibilidad comercial que las tecnologías de silicio