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El futuro de los paneles solares

By January 4, 2021 February 16th, 2021 No Comments
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Paneles y Células solares: costos, desafíos y diseño.

El futuro de los paneles solares

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El futuro de los paneles solares

 

El Sol emite suficiente energía a la Tierra cada segundo para satisfacer toda la demanda de energía humana durante más de dos horas. Dado que está fácilmente disponible y es renovable, la energía solar es una fuente de energía atractiva. Sin embargo, a partir de 2018, menos del dos por ciento de la energía mundial provino de la energía solar.

Históricamente, la recolección de energía solar ha sido costosa y relativamente ineficiente. Sin embargo, incluso este escaso uso de energía solar es una mejora con respecto a las dos décadas anteriores, ya que la cantidad de energía recolectada de la energía solar en todo el mundo se multiplicó por 300 entre 2000 y 2019.

Los nuevos avances tecnológicos en los últimos veinte años han impulsado esta mayor dependencia en energía solar al disminuir los costos, y los nuevos desarrollos tecnológicos prometen aumentar este uso de energía solar al disminuir aún más los costos y aumentar la eficiencia del panel solar.

Paneles y Células solares: costos, desafíos y diseño.

 

Durante los últimos 20 años, los costos asociados con las células solares, las estructuras capaces de convertir la energía luminosa en electricidad han ido disminuyendo constantemente. El Laboratorio Nacional de Energía Renovable, un laboratorio del gobierno de EE. UU. Que estudia la tecnología de células solares, estima los contribuyentes a la creciente asequibilidad de la energía solar. Ellos estiman que los costos directos, los costos del hardware físico de la celda solar y los costos indirectos, que incluyen mano de obra o costos para obtener los permisos gubernamentales requeridos, son aproximadamente iguales (Figura 1). Los costos blandos han disminuido porque hay más consumidores potenciales y más expertos en instalación de nuevas células solares, por lo que las empresas pueden producir células solares a granel e instalarlas fácilmente.

Los costos duros son menos de la mitad de lo que eran en el año 2000, principalmente debido a la disminución de los costos de materiales y una mayor capacidad de las células para capturar la luz. La ingeniería de células solares más rentables y eficientes ha requerido una consideración cuidadosa de la física involucrada en la captura solar, además de un diseño innovador.

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Material que se usa para los paneles solares

 

Debido a que las células solares se utilizan para convertir la luz en electricidad, deben estar compuestas de algún material que sea bueno para capturar energía de la luz. Este material se puede intercalar entre dos placas metálicas que llevan la electricidad captada de la energía lumínica hasta donde se necesita, como las luces de una casa o las máquinas de una fábrica (Figura 2). Elegir el material adecuado para capturar la luz implica medir la diferencia entre dos niveles de energía llamados banda de valencia y banda de conducción. La banda de valencia de menor energía está llena de muchas partículas pequeñas cargadas negativamente llamadas electrones, pero la banda de conducción de mayor energía está casi vacía. Cuando los electrones son golpeados con partículas de luz, llamadas fotones, pueden absorber suficiente energía para saltar de la banda de conducción de baja energía a la banda de valencia de alta energía. Una vez en la banda de valencia, la energía extra en el electrón puede recolectarse como electricidad. Es como si los electrones estuvieran sentados en la base de una colina (la banda de conducción) y fueran golpeados por un fotón que les da la energía para saltar a la cima (la banda de la cenefa).

La cantidad de energía necesaria para que los electrones salten a la banda de valencia depende del tipo de material. Esencialmente, el tamaño de la colina metafórica varía según las propiedades de un material dado. El tamaño de esta brecha energética es importante porque afecta la eficiencia con que las células solares convierten la luz en electricidad. Específicamente, si los fotones golpean a los electrones con menos energía de la que el electrón necesita para saltar de la banda de valencia a la banda de conducción, no se captura ninguna energía de la luz. Alternativamente, si la luz tiene más energía de la necesaria para superar esa brecha, entonces el electrón captura la energía precisa que necesita y desperdicia el resto. Ambos escenarios conducen a ineficiencias en la captación solar, lo que hace que la elección del material de la célula solar sea importante.

Históricamente, el silicio ha sido el material más popular para las células solares (Figura 2). Una razón de esta popularidad radica en el tamaño de la brecha entre la conducción del silicio y las bandas de valencia, ya que la energía de la mayoría de las partículas de luz está muy cerca de la energía que necesitan los electrones del silicio para saltar la brecha de energía. En teoría, alrededor del 32% de la energía luminosa se podría convertir en energía eléctrica con una célula solar de silicio. Puede que esto no parezca mucho, pero es significativamente más eficiente que la mayoría de los otros materiales. Además, el silicio también es económico. Es uno de los elementos más abundantes en la tierra, y el costo de refinarlo ha disminuido drásticamente desde 1980. Las industrias de células solares y electrónica han impulsado la disminución del costo de purificación, ya que han aprendido mejores técnicas de purificación a granel para impulsar la demanda de energía solar. células y electrónica de consumo.

Los Costos del material de las células solares

 

Además de reducir los costos de material, los ingeniosos trucos de ingeniería están acercando la eficiencia de las células solares de silicio a su máximo teórico. Para que los fotones se conviertan en energía, primero deben chocar con un electrón. Un truco para aumentar la probabilidad de una colisión de fotones / electrones implica modelar el silicio en las células solares en formas de pirámide microscópica. Cuando la luz se absorbe en una pirámide, viaja más lejos, aumentando la probabilidad de que la luz choque con los electrones en el silicio antes de escapar de la celda.

En una táctica similar, los químicos y científicos de materiales han diseñado revestimientos antirreflectantes para colocar en la parte frontal de las células solares para evitar que la luz útil se refleje de regreso al espacio sin ni siquiera golpear un electrón en la célula solar. Asimismo, colocar un reflector en la parte posterior de la celda solar también permite recolectar más luz. La luz que llega a la celda solar y llega hasta la parte posterior sin chocar con un electrón rebota hacia la parte frontal de la celda, lo que le da a la celda otra oportunidad de recolectar la luz.

Actualmente, el costo de las células solares basadas en silicio continúa disminuyendo y, a pesar de las predicciones en sentido contrario, el costo del silicio en sí mismo continúa disminuyendo. Es probable que las células solares de silicio sigan siendo populares durante los próximos años. Se han desarrollado alternativas a las células solares de silicio, pero no están lo suficientemente avanzadas como para ser comercialmente viables.

El futuro de las células solares

 

Para superar a las células solares actuales, un nuevo diseño debería poder capturar más luz, transformar la energía luminosa en electricidad de manera más eficiente y / o ser menos costoso de construir que los diseños actuales. Es más probable que los productores y consumidores de energía adopten la energía solar si la energía que produce es igual o menos costosa que otras formas de electricidad, a menudo no renovables, por lo que cualquier mejora en los diseños actuales de células solares debe reducir los costos generales para ser ampliamente utilizada. .

La primera opción, agregar hardware que permita que las células solares capturen más luz, en realidad no requiere que abandonemos los diseños actuales de células solares. La electrónica se puede instalar con la celda solar que permite que la celda siga el sol mientras se mueve por el cielo durante el día. Si la célula solar siempre apunta al sol, recibirá muchos más fotones que si solo apuntara hacia el sol alrededor del mediodía. Actualmente, diseñar dispositivos electrónicos que puedan rastrear la posición del sol de manera precisa y constante durante varias décadas a un costo razonable es un desafío continuo, pero la innovación en este frente continúa. Una alternativa para hacer que la propia célula solar se mueva es utilizar espejos para enfocar la luz en una célula solar más pequeña y, por lo tanto, más barata.

Otra ruta para mejorar el rendimiento de las células solares es apuntar a su eficiencia para que sean mejores en convertir la energía de la luz solar en electricidad. Las células solares con más de una capa de material captador de luz pueden capturar más fotones que las células solares con una sola capa. Recientemente, las células solares de cuatro capas probadas en laboratorio pueden capturar el 46% de la energía luminosa entrante que las golpea. Estas células siguen siendo en su mayoría demasiado caras y difíciles de fabricar para uso comercial, pero la investigación en curso puede algún día hacer posible la implementación de estas células súper eficientes.

La alternativa para mejorar la eficiencia de las células solares es simplemente reducir su costo. Aunque el procesamiento de silicio se ha vuelto más barato en las últimas décadas, todavía contribuye significativamente al costo de la instalación de las células solares. Al usar células solares más delgadas, los costos de materiales disminuyen. Estas “células solares de película fina” utilizan una capa de material para recolectar energía luminosa que tiene solo 2 a 8 micrómetros de espesor, solo alrededor del 1% de lo que se usa para fabricar una celda solar tradicional. Al igual que las células con múltiples capas, las células solares de película delgada son un poco difíciles de fabricar, lo que limita su aplicación, pero la investigación está en curso.

En el futuro inmediato, es probable que las células solares de silicio sigan reduciendo su costo y se instalen en grandes cantidades. En los Estados Unidos, se prevé que estas reducciones de costos aumentarán la energía solar producida en al menos un 700% para 2050. Mientras tanto, continuará la investigación sobre diseños alternativos para celdas solares más eficientes y menos costosas. Dentro de unos años, es probable que veamos la aparición de alternativas al silicio en nuestras granjas solares y tejados, lo que ayudará a proporcionar fuentes de energía limpias y renovables. Estas mejoras han sido y seguirán siendo posibles mediante el aumento de la fabricación a granel de células solares y las nuevas tecnologías que hacen que las células sean más baratas y eficientes.

Conclusión

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