La pequeña célula solar que ganó a Goliat

Estamos entrando de lleno en la nueva era de la energía solar. La Agencia Internacional de la Energía lo anunció en 2017: la fotovoltaica es hoy por hoy la tecnología favorita cuando se trata de instalar nueva potencia a la red eléctrica, superando al carbón, al gas y a otras tecnologías consolidadas como hidroeléctricas y eólica. Ya en 2016 se instalaron 74GW de potencia, superando con creces a los 57GW nuevos de carbón y los 52GW de eólica. Y la previsión es que hasta 2022 seguirá batiendo records cada año y se consolidará como la fuente de energía preferida para generar electricidad en todo el mundo.

¿Cómo puede un conjunto de pequeños módulos fotovoltaicos plantar cara a gigantescos aerogeneradores eólicos o a la extrema complejidad de una central de carbón o de ciclo combinado? Es la hermosa complejidad de lo pequeño y del imparable avance científico en el campo de la energía solar.

Desde el año 1883 cuando Fritts construyó en su laboratorio la primera célula solar de estado sólido con un 1% de eficiencia, hasta el año 2018 cuando los módulos son productos de consumo masivo que se venden por cientos de miles y con eficiencias comerciales del 15% al 21%, se ha producido la acumulación de una ingente cantidad de descubrimientos científicos, de éxitos y fracasos, de mejora continua en la producción y en los procesos de fabricación, aprendizajes que han logrado desbordar a las tecnologías existentes.

Fritts empezó a experimentar con el efecto fotovoltaico, la conversión de la luz en electricidad, un efecto que había sido observado por Becquerel 44 años antes. Su primera célula de selenio recubierto de una fina capa de oro era carísima y poco eficiente. Pero fue el primer ganador en una interesante carrera científica de combinaciones de materiales para lograr mayores eficiencias y menores costes de fabricación de esas células. Fritts no tenía muy claro el principio de funcionamiento, porque no fue hasta 1905 cuando Einstein logró dar con la explicación científica del efecto fotoeléctrico, gracias al cuál recibió años más tarde el premio Nobel. Pasaron muchos años hasta que en 1954 en los laboratorios Bell, dieron con la receta que permitía construir células basadas en silicio, más eficientes y que además se podían fabricar para usos prácticos como la nueva industria espacial.

Y al fin llegamos a los años 70 en los que se empezó a ver con claridad, que se podría eliminar la dependencia de los combustibles fósiles, aprovechando la energía ilimitada del Sol. Comenzaron a llegar fondos a programas de investigación y se empezaron a lograr importantes reducciones en los costes de producción de las células y a construir las primeras centrales fotovoltaicas para producir electricidad con inyección a la red eléctrica.

En la fabricación los retos eran lograr producir más al mínimo precio posible, reducir los defectos de fabricación, lograr células más eficientes, fabricas más inteligentes y automatizadas. En sistemas se trataba de formar ingenieros e instaladores capaces de construir plantas en el menor tiempo posible, con estructuras, protecciones y calidad suficiente para producir electricidad barata y con el menor mantenimiento posible. Cuantos más módulos se fabricaban y más plantas se construían, mayores los avances. Y es por eso que cuando Alemania decide impulsar e incentivar la construcción masiva de fotovoltaicas y el resto del mundo se le une con primas e incentivos, cuando la industria solar logra en torno al año 2011 demostrar que la electricidad de origen solar podía por fin competir sin ningún tipo de primas o ayudas con las tecnologías de generación eléctrica tradicionales.

A partir de ahí la fotovoltaica comienza a avanzar en dos frentes: el frente del autoconsumo para edificios que puedan generar su propia energía y el frente de las megainstalaciones para producir energía eléctrica a gran escala.

Todas estas instalaciones funcionan a partir de la conexión de módulos fotovoltaicos. Y si bien existen diferentes tipos de módulos, en función del tipo de semiconductor utilizado, hoy en día más del más del 80% de los módulos que se instalan en el mundo emplean células solares de tecnología de silicio cristalino. A su vez éstos pueden ser mono o policristalinos. Los paneles monocristalinos suponen más del 30% de la potencia que se instala, con eficiencias del orden del 15% hasta el 21%. Pero son los paneles policristalinos, con eficiencias del orden del 14% al 16%, los más instalados. Alrededor del 50% de los módulos son policristalinos y la razón es evidentemente su mejor coste de fabricación, que compensa con creces su menor eficiencia respecto a los monocristalinos.

Ya sean mono o policristalinos, un módulo no es más que un conjunto de 60 a 72 células solares de un espesor de unos pocos cientos de micras, conectadas en serie y paralelo mediante contactores, protegidas por un vidrio para soportar las inclemencias del tiempo y con un marco metálico para dotarle de rigidez mecánica. Sus dimensiones de 1m de ancho, por 1,60m de largo y apenas 3-4cm de grosor, además de un peso inferior a 20kg, le otorgan la gran ventaja de que es manejable por una sola persona, lo que facilita su instalación.

Las potencias de cada módulo rondan hoy en día los 270W para módulos policristalinos y alcanzan ya los 300W en monocristalino. Así pues en un autoconsumo en un hogar bastan 5 a 10 módulos para alcanzar una potencia de 1,5kW a 3kW. En una megainstalación se pondrán decenas de miles.

La elección entre adquirir módulos monocristalinos o policristalinos es una cuestión que tiene que ver con cuánta superficie tenemos disponible. El módulo monocristalino es en torno a un 5%-10% más caro que el policristalino, ganar eficiencia implica fabricar células de un grado de pureza muy alto y eso tiene un precio. En cambio las células policristalinas surgieron precisamente para obtener una buena eficiencia pero a un coste más reducido, por lo que son células que tienen mayor grado de impurezas. Sin embargo la eficiencia sólo es importante cuando queremos instalar más potencia en menor superficie. Así por ejemplo en una vivienda, para instalar 1,5kW en el tejado se podrían poner 5 módulos monocristalinos ocupando una superficie de 8m2. Si utilizaramos módulo policristalino, tendríamos que poner 6 módulos y ocupar 9,6m2.

Una segunda tecnología de vanguardia es el módulo solar bifacial, capaz de producir energía tanto por delante como por detrás del panel. Este tipo de paneles se utilizan en aquellas superficies o azoteas que son planas en las cuales podemos orientar nuestro módulo unos 25 o 30 grados. Así, a través de esta tecnología, podemos también producir energía con el efecto que tiene la luz cuando, tras atravesar el panel, rebota en el suelo y choca con la parte trasera del módulo. Si bien es cierto que gracias a esta cualidad tenemos un incremento de la producción energética del 5 hasta el 30%, hay que tener en cuenta que no podemos utilizarlos en aquellos lugares donde tengamos muy poca superficie disponible o la orientación no sea la adecuada para el efecto del rebote. Más allá de los distintos tipos que acabamos de ver y de sus distintas características, para asegurar la máxima eficiencia de nuestra instalación y la mayor vida útil posible, se hace fundamental contar con materiales de calidad. Cuando hablamos de inversiones en nuestro hogar que van a estar presentes durante aproximadamente 30 años de nuestras vidas, merece la pena detenerse a observar qué paneles son mejores que otros para que no nos salgan defectuosos.

En muchas ocasiones, los paneles baratos pueden acabar con las células quemadas y sin posibilidad de volver a utilizarlos. Esto se debe a que los materiales utilizados para acompañar a la célula fotovoltaica, tanto el vidrio como los adhesivos que se utilizan, son de baja calidad dando resultados no deseados. Dentro de los diferentes fabricantes de módulos solares no todos atienden de la misma manera a la calidad final o a la trazabilidad de los materiales con los que realizan sus productos. Para terminar con este sencillo repaso a los principales tipos de paneles solares nos atrevemos a hacer una consideración basada en la experiencia de la que nos dotan las distintas instalaciones realizadas. A la hora de plantearse una instalación de autoconsumo, la mejor opción siempre es apostar por las tecnologías consolidadas sin necesidad de esperar a que surjan tecnologías futuras. No es necesario esperar más para comenzar a producir nuestra propia energía en nuestros hogares.

Juan José del Valle

Artículo publicado originalmente en la revista ENERGÉTICA número 179 Septiembre 2018

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