Tipos de celdas
Solar fotovoltaico: Celdas de silicio cristalino
Contenido
Las celdas de silicio cristalino representan la tecnología fotovoltaica dominante en el mercado actual, abarcando aproximadamente el 95% de la producción mundial. Su predominio se debe a una combinación de buena eficiencia, durabilidad probada y constante reducción de costos gracias a economías de escala y optimización de procesos. Dentro de esta categoría, existen dos variantes principales:
- Monocristalinas
- Policristalinas.
Celdas monocristalinas
Las celdas monocristalinas representan la primera generación de tecnología fotovoltaica comercialmente viable y continúan siendo referentes en cuanto a eficiencia y durabilidad. Su característica distintiva es la estructura de silicio altamente ordenada, compuesta por un único cristal continuo, lo que minimiza las imperfecciones estructurales que pueden interferir con el flujo de electrones.
Características técnicas
DATOS
Eficiencia: 18-24% en módulos comerciales, alcanzando hasta 26.7% en laboratorio
Apariencia: Negro uniforme con esquinas típicamente redondeadas o recortadas (debido al proceso de fabricación a partir de lingotes cilíndricos)
Grosor: 150-200 μm
Coeficiente de temperatura: -0.35 a -0.45%/°C (pérdida de potencia por cada grado por encima de 25°C)
Vida útil: 25-40 años, con garantías típicas de producción de 25-30 años
Proceso de fabricación
Medio ambiente y costos
Aspectos medioambientales
El impacto ambiental de las celdas monocristalinas está dominado por el alto consumo energético durante la purificación del silicio y el crecimiento del cristal. La huella de carbono asociada oscila entre 30-45 g CO₂-eq/kWh generado a lo largo de su vida útil, significativamente menor que las tecnologías de generación basadas en combustibles fósiles (que pueden superar los 1000 g CO₂-eq/kWh), pero superior a otras tecnologías fotovoltaicas.
El proceso utiliza diversas sustancias químicas potencialmente peligrosas, como ácido fluorhídrico, ácido nítrico y solventes diversos para la limpieza y texturización de las obleas. La industria ha realizado avances significativos en la reducción y tratamiento de estos compuestos, pero siguen representando un desafío ambiental.
Un aspecto crítico es el desperdicio de silicio durante el corte de las obleas. Este "silicon kerf" representa uno de los principales residuos del proceso, aunque existen iniciativas prometedoras para su reciclaje y reutilización que podrían cerrar este ciclo material.
En términos de materiales críticos, las celdas monocristalinas utilizan plata para los contactos frontales (aproximadamente 5-10 gramos por m² de panel), un metal precioso con reservas limitadas. La industria está investigando activamente alternativas como el cobre para reducir esta dependencia.
RESUMEN
Resumen medioambiental
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
El costo de producción de las celdas monocristalinas ha experimentado una dramática reducción en las últimas décadas, pasando de más de 76 $/Wp en 1977 a aproximadamente 0.25-0.35 €/Wp actualmente. Esta reducción, que sigue la famosa "ley de Swanson" (similar a la ley de Moore para los semiconductores), ha transformado la energía solar de una curiosidad tecnológica a una de las fuentes de electricidad más competitivas globalmente.
La fabricación requiere una inversión inicial considerable en equipamiento especializado, particularmente para el proceso Czochralski. Sin embargo, la amortización de esta inversión se ha vuelto más favorable con el aumento de la escala de producción, especialmente en países como China que dominan actualmente el mercado.
El tiempo de retorno energético (EPBT, Energy Payback Time) de 1.5-2.5 años significa que un panel monocristalino genera durante su vida útil entre 10-16 veces la energía requerida para su fabricación, un ratio que mejora constantemente con los avances tecnológicos y que es significativamente favorable comparado con otras tecnologías energéticas.
Resumen económico
RESUMEN
Ecónomico
- Coste de producción: 0.25-0.35 €/Wp, superior al de las tecnologías policristalinas.
- Alta inversión inicial: Los equipos para el método Czochralski requieren una inversión de capital significativa.
- Valor residual alto: Al final de su vida útil, los paneles monocristalinos tienen mayor valor para reciclaje debido a su mayor contenido de plata y silicio de alta pureza.
- Retorno energético: El tiempo de retorno energético (EPBT) es de 1.5-2.5 años, dependiendo de la ubicación de instalación.
Ventajas e inconvenientes
Inconvenientes
- Mayor costo inicial por vatio en comparación con alternativas policristalinas
- Proceso de fabricación intensivo en energía y material
- Rendimiento subóptimo en regiones con alta proporción de radiación difusa
- Mayor huella de carbono en comparación con tecnologías de película delgada
Ventajas
Esta denominación incluye tres elementos fundamentales:
- La tecnología de fabricación (monocristalino)
- El rango de potencia nominal (300-320W)
- La identificación como panel solar
Es importante destacar que este título permite al instalador o usuario identificar rápidamente las características básicas del panel sin necesidad de profundizar en toda la ficha técnica. Los fabricantes suelen utilizar esta nomenclatura para facilitar la clasificación y selección de sus productos dentro de su catálogo.
Celdas policristalinas
Las celdas policristalinas (también llamadas multicristalinas) surgieron como una alternativa más económica a las monocristalinas, sacrificando una pequeña porción de eficiencia a cambio de una reducción significativa en los costos de producción. Su característica visual distintiva es un patrón azulado heterogéneo que refleja la estructura de múltiples cristales con diferentes orientaciones.
DATOS
Características técnicas
Eficiencia: 15-18% en módulos comerciales, hasta 22.3% en laboratorio
Apariencia: Azul no uniforme con patrón visible de "escamas" correspondientes a los diferentes cristales
Grosor de celda: 180-240 μm
Coeficiente de temperatura: -0.40 a -0.50%/°C
Vida útil: 25-35 años, con garantías similares a las monocristalinas
Proceso de fabricación
Medio ambiente y costos
Aspectos medioambientales
Las celdas policristalinas presentan ventajas medioambientales significativas respecto a las monocristalinas. El proceso de colada directa consume aproximadamente un 20% menos de energía que el método Czochralski, lo que se traduce en una huella de carbono menor, típicamente entre 25-35 g CO₂-eq/kWh.
La forma rectangular de los lingotes permite un aprovechamiento más eficiente del material durante el corte, reduciendo el desperdicio respecto a los lingotes cilíndricos monocristalinos. Sin embargo, el problema del "kerf loss" durante el corte sigue presente, con pérdidas significativas de material en forma de polvo de silicio.
El uso de productos químicos y metales pesados es similar al de las celdas monocristalinas, incluyendo la necesidad de plata para los contactos frontales, aunque algunas configuraciones pueden requerir cantidades ligeramente inferiores debido a diferencias en los diseños de metalización.
En términos de reciclabilidad, las policristalinas siguen los mismos procesos que las monocristalinas, con tasas de recuperación de materiales que pueden alcanzar el 95% mediante tecnologías avanzadas de reciclaje, aunque estos procesos aún no están implementados a gran escala.
RESUMEN
Resumen medioambiental
Medioambiente
- Menor consumo energético: Requiere aproximadamente 20% menos energía que el proceso Czochralski.
- Emisiones de CO₂: 25-35 g CO₂-eq/kWh, menor que las monocristalinas.
- Mayor eficiencia de material: La forma rectangular de los lingotes reduce el desperdicio en el corte de las obleas.
- Reciclabilidad: Similar a las monocristalinas, con procesos establecidos para recuperar hasta el 95% de los materiales.
Aspectos económicos
Las celdas policristalinas presentan ventajas medioambientales significativas respecto a las monocristalinas. El proceso de colada directa consume aproximadamente un 20% menos de energía que el método Czochralski, lo que se traduce en una huella de carbono menor, típicamente entre 25-35 g CO₂-eq/kWh.
La forma rectangular de los lingotes permite un aprovechamiento más eficiente del material durante el corte, reduciendo el desperdicio respecto a los lingotes cilíndricos monocristalinos. Sin embargo, el problema del "kerf loss" durante el corte sigue presente, con pérdidas significativas de material en forma de polvo de silicio.
El uso de productos químicos y metales pesados es similar al de las celdas monocristalinas, incluyendo la necesidad de plata para los contactos frontales, aunque algunas configuraciones pueden requerir cantidades ligeramente inferiores debido a diferencias en los diseños de metalización.
En términos de reciclabilidad, las policristalinas siguen los mismos procesos que las monocristalinas, con tasas de recuperación de materiales que pueden alcanzar el 95% mediante tecnologías avanzadas de reciclaje, aunque estos procesos aún no están implementados a gran escala.
RESUMEN
Resumen económico
Económico
- Coste de producción: 0,20-0,30 €/Wp, aproximadamente 15-20% menor que las monocristalinas.
- Menor inversión inicial: El equipamiento para la colada en bloque es menos costoso que el necesario para el método Czochralski.
- Eficiencia de escala: Los procesos de producción son más adecuados para la fabricación en masa.
- Retorno energético: EPBT de 1,7-2,7 años, ligeramente mayor que las monocristalinas debido a su menor eficiencia.
Ventajas e inconvenientes
Inconvenientes
- Eficiencia 10-15% menor que las monocristalinas
- Mayor sensibilidad a las altas temperaturas (coeficiente de temperatura más negativo)
- Estética menos uniforme, con apariencia "fragmentada"
- Requiere mayor superficie para la misma potencia instalada
- Degradación ligeramente superior a largo plazo
Ventajas
- Menor costo de producción que las monocristalinas
- Proceso de fabricación menos intensivo energéticamente
- Menor desperdicio de material debido a la forma rectangular de los lingotes
- Buen rendimiento en condiciones de alta temperatura y radiación directa
- Tecnología madura con amplia disponibilidad y cadena de suministro establecida
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.