Eficiencias, desde la celda solar hasta la del módulo fotovoltaico

Si por algo se caracteriza la industria fotovoltaica es, entre otras muchas cosas, por una apuesta constante por la innovación. Fruto de ello, se logran nuevas y mayores eficiencias de conversión de energía solar en eléctrica mediante el efecto fotoeléctrico, tanto con nuevas tecnologías como con la mejora de otras ya existentes. Es por ello que los grandes fabricantes de obleas y paneles fotovoltaicos anuncian frecuentemente nuevos porcentajes de eficiencia, que representan hitos para la industria puesto que, a mayores porcentajes, más cantidad de energía solar se puede transformar en electricidad. En este artículo repasamos la diferencia entre la eficiencia de una celda solar y la de un módulo fotovoltaico.

¿Qué es la eficiencia de una celda solar? 

El material principal para la fabricación de un panel fotovoltaico es el silicio, un elemento semiconductor ideal para aprovechar el efecto fotoeléctrico y que se trata químicamente para crear las celdas solares.

El primer paso en este proceso es la purificación del aspecto natural y supresión de impurezas en él, para dar paso a esas celdas solares que se unirán en paneles fotovoltaicos.

Una vez tratado y obtenidas las celdas solares, muchos centros de investigación y fabricantes - especialmente los Tier 1, fiables y financieramente sólidos -, prueban la eficiencia de la celda solar obtenida. Esta propiedad se define como el porcentaje de energía lumínica que la celda convierte en electricidad utilizable y está definido principalmente por las propiedades intrínsecas del material y por la calidad de su diseño. Aunque no refleja la eficiencia final del panel solar, son un indicador de las mejoras tecnológicas en su proceso de fabricación dado que, como veremos más adelante, a mejores eficiencias de celda mayores serán también en el módulo fotovoltaico.

Los dos factores determinantes que influyen en que ésta sea mayor o menor se pueden clasificar en:

• Material: Cuando se emplea ** silicio monocristalino, las celdas suelen alcanzar eficiencias del 20-26%, mientras que las que cuentan con silicio policristalino, no superan el 20%.
• Tecnología: Las innovaciones como la aplicación de capas antirreflectantes o estructuras tipo BC (Back Contact) o PERC (Passivated Emitter Rear Cell) pueden mejorar la eficiencia, y en ellas se basan los grandes fabricantes.

La eficiencia del panel 

La eficiencia de los paneles solares refleja el porcentaje de la luz que incide sobre sus células y se convierte en electricidad. Es importante no confundir este concepto con el rendimiento, que es la eficiencia real que tiene un panel solar en condiciones de trabajo reales.

Un módulo fotovoltaico, que como hemos visto está compuesto por ** numerosas celdas solares conectadas eléctricamente y unidas en una estructura, tiene una eficiencia que siempre será menor que la de las celdas individuales, debido al efecto de las pérdidas adicionales y factores externos como, por ejemplo:

• La interconexión: La conexión entre celdas (en serie o en paralelo), provoca pérdidas debido a la resistencia entre ellas.
• Sombras: Aunque hay tecnologías que las limitan al máximo, si una parte del panel está sombreada, su rendimiento global puede reducirse significativamente, incluso con el uso de optimizadores de energía o microinversores.
• Materiales empleados: Aunque son necesarios para proteger las celdas, los denominados materiales de encapsulado absorben parte de la luz incidente, reduciendo la cantidad que llega a las celdas y, en consecuencia, disminuyendo la eficiencia. Actualmente, se trabaja en tecnologías que minimicen el uso de estos materiales.
• Temperatura: Como hemos visto en anteriores artículos, el calor es enemigo del panel solar. El calentamiento provocado por la absorción de luz afecta negativamente en la eficiencia.

A nivel general, la eficiencia promedio de un panel fotovoltaico suele ser entre un 2 y un 4% menor que la eficiencia de las celdas solares que lo componen.

Como ejemplo numérico, si un panel tiene una eficiencia real del 20%, por ejemplo, podría convertir 300 W de energía solar en 60 W de energía eléctrica, mientras que, si tiene un 18%, produciría 54 W.

Factores que influyen en la caída de eficiencia de un panel 

A medida que pasan los años en una instalación solar, hay factores que influyen en la caída de eficiencia de los paneles.  

Uno de los más importantes es la temperatura. Cuando ésta aumenta debido a su funcionamiento o a su exposición, su eficiencia disminuye a causa de la relación entre la temperatura y la tensión eléctrica. Es por ello que los fabricantes indican en sus fichas técnicas los valores y las relaciones de caída de eficiencia por cada ºC de aumento o disminución de la temperatura. Se llaman coeficientes de variación, y también indican cambios en la potencia máxima, la tensión o la intensidad, entre otros.

El valor de la pérdida de potencia en función de la temperatura suele aproximarse en 0,3 a 0,4 %/ºC. Cuanto menor sea el coeficiente de temperatura de un panel, menor será el efecto negativo de la temperatura.

A medida que los paneles solares se calientan, la resistencia eléctrica interna de los cables conductores aumenta y se produce una caída de tensión, lo que deriva en una pérdida adicional de producción de energía.

Cuando hablamos de fichas técnicas, hay otro concepto interesante; el coeficiente de degradación, que indica la velocidad a la que el panel pierde su eficiencia con el paso del tiempo. Generalmente, este coeficiente está entre el 0,5% y el 1% al año, pero las nuevas tecnologías como las mencionadas anteriormente están logrando que se reduzca considerablemente.

La llegada de la perovskita 

Un elemento capaz de revolucionar los límites teóricos de eficiencia es la perovskita. Se trata de un mineral sintético que se utiliza en la actualidad para producir celdas fotovoltaicas capaces de alcanzar eficiencias superiores al 20%, al unirlo con silicio cristalino.

Está formado por titanio, oxígeno, estroncio y carbonato de calcio, cuyo funcionamiento en una celda solar es parecido al de las tradicionales de silicio, con la diferencia que la perovskita tiene una menor vida útil.

Según investigaciones de grandes fabricantes, el límite de eficiencia teórica de las celdas solares con tándem de silicio cristalino y perovskita puede alcanzar el 43%, y se considera la solución técnica principal para superar el límite de eficiencia de las celdas de unión simple de silicio cristalino.

La aparición de la tecnología ha abierto una nueva vía para el desarrollo de una tecnología de alta eficiencia y que da paso a una siguiente generación. En la misma superficie, se podría producir más electricidad.

Conclusión 

En la actualidad, los paneles solares más eficientes del mercado superan valores del 20%, con algunos modelos con tecnologías BC que alcanzan un 24%. Por otro lado, el récord de eficiencia de una celda solar está en torno al 34%, 10 puntos porcentuales más que el de un panel de alta calidad.

Por ejemplo, a la fecha de realización de este artículo, la tecnología basada en celdas solares con tándem de silicio cristalino y perovskita tiene un récord de 33,9% de eficiencia, mientas que la de celdas de heterounión de silicio alcanza un 26,81%.

Como hemos visto, la eficiencia de una celda solar refleja el límite teórico de conversión energética, mientras que la eficiencia de un panel fotovoltaico considera las realidades prácticas del diseño y la operación, uniendo las celdas y considerando todas sus limitaciones.

Por este motivo, para lograr un mayor impacto en la adopción de energía solar fotovoltaica, la apuesta por mejoras en investigación, desarrollo y fabricación, se deben centrar tanto en las celdas solares como en el diseño y arquitectura de los paneles fotovoltaicos.