Las células fotovoltaicas que forman paneles solares se fabrican principalmente con silicio (Si) y pueden consistir en cristales de silicio monocristalino, policristalino o amorfo. 

La célula fotovoltaica o la célula solar son dispositivos con la particularidad de convertir la energía de la luz de cualquier fuente de luz (ya sea del Sol o de una lámpara simple) en energía eléctrica. Se utilizan como generadores de electricidad o como sensores de intensidad de luz.

Actualmente, la eficiencia de las células fotovoltaicas es muy baja, y las pocas con mayor eficiencia tienen un costo de producción muy alto.

Es una forma de tener energía sin crear desechos, por lo tanto, el nombre es energía limpia y, sin embargo, la luz solar produce 1 Megavatio de energía por metro cuadrado.

El efecto fotovoltaico fue descubierto por primera vez en 1839 por Edmond Becquerel. Sin embargo, fue solo después de 1883 que Charles Fritts construyó las primeras células fotoeléctricas, que cubrieron el selenio semiconductor con una capa extremadamente delgada de oro para formar uniones.

El conjunto de células fotoeléctricas se llama panel solar fotovoltaico cuyo uso hoy en día es bastante común en lugares alejados de la red eléctrica convencional.

Células monocristalinas

Este tipo de células fotovoltaicas representa la primera generación. Su eficiencia eléctrica es relativamente alta (aproximadamente el 16%, que puede aumentar hasta aproximadamente el 23% en el laboratorio), pero las técnicas utilizadas en su producción son complejas y costosas.

Por otro lado, se necesita una gran cantidad de energía en su fabricación, debido al requisito de usar materiales en un estado muy puro y con una estructura cristalina perfecta.

Células policristalinas

Las células policristalinas tienen un costo de producción más bajo porque necesitan menos energía en su fabricación, pero tienen un rendimiento eléctrico más bajo (entre 11% y 13%, obteniendo hasta 18% en el laboratorio). Esta reducción en el rendimiento es causada por la imperfección del cristal, debido al sistema de fabricación.

Células de silicio amorfo

Las células de silicio amorfo tienen el costo más bajo, pero en contraste su rendimiento eléctrico también es el más bajo (aproximadamente 8% a 10%, o 13% en el laboratorio). Las células de silicio amorfo son películas muy delgadas, lo que les permite ser utilizadas como material de construcción, al tiempo que aprovechan la energía.

Células de silicio monocristalino

Las células de silicio monocristalino han sido históricamente las más utilizadas y comercializadas como convertidor directo de energía solar en electricidad y la tecnología para su fabricación es un proceso básico muy bien constituido.

La fabricación de la célula de silicio comienza con la extracción del cristal de dióxido de silicio. Este material está desoxidado en hornos grandes, purificado y solidificado. Este proceso alcanza una pureza del 98 y 99%, que es razonablemente eficiente desde el punto de vista de la energía y el costo. Este silicio para funcionar como células fotovoltaicas requiere otros dispositivos semiconductores y un mayor grado de pureza, llegando al 99.9999%.

Figura 1 – Celda de silicio monocristalino

Para usar silicio en la industria electrónica además del alto grado de pureza, el material debe tener una estructura monocristalina y una baja densidad de defectos en la red. El proceso más utilizado para lograr las calificaciones deseadas se llama «proceso de Czochralski». El silicio se derrite junto con una pequeña cantidad de dopante, generalmente boro que es de la p

Con un fragmento del cristal debidamente orientado y bajo un estricto control de temperatura, se extrae un gran cilindro de silicio monocristalino ligeramente dopado del material fundido. Este cilindro obtenido se corta en rodajas finas de aproximadamente 300 micro m.

Después de cortar y limpiar las impurezas de las rodajas, se deben introducir impurezas de tipo N para obtener la articulación. Este proceso se realiza a través de una difusión controlada donde las rodajas de silicio están expuestas al vapor de fósforo en un horno donde la temperatura varía entre 800 y 1000ºC.

Dentro del rango de células fotovoltaicas que usan silicio como material base, los monocristalinos son, en general, los más eficientes. Un panel solar que utiliza estas células solares obtenidas con el proceso descrito alcanza una eficiencia de hasta el 15% y puede alcanzar el 18% en células fabricadas en laboratorios.

Celdas de silicio policristalino

Las células de silicio policristalino son más baratas que las células de silicio monocristalino porque requieren un proceso de preparación celular menos riguroso. Sin embargo, la eficiencia disminuye un poco en comparación con las células de silicio monocristalino.

El proceso de pureza de silicio utilizado en la producción de células de silicio policristalino es similar al proceso de Si monocristalino, que permite obtener niveles compatibles de eficiencia. Básicamente, las técnicas de fabricación de células policristalinas son las mismas en la fabricación de células monocristalinas, pero con menos rigores de control.

 Figura 2 – Celda de silicio policristalino

Se pueden preparar cortando un lingote, cintas o depositando una película sobre un sustrato, ya sea transportando vapor o por inmersión. En estos dos últimos casos, solo se puede obtener silicio policristalino.

Cada técnica produce cristales con características específicas, que incluyen tamaño, morfología y concentración de impurezas. Con los años, el proceso de fabricación ha logrado una eficiencia máxima del 12,5% en escalas industriales.

Celdas amorfas de silicio

Una célula de silicio amorfo difiere de otras estructuras cristalinas en que tiene un alto grado de trastorno en la estructura de los átomos. El uso de silicio amorfo para su uso en fotocélulas ha mostrado grandes ventajas tanto en propiedades eléctricas como en el proceso de fabricación.

Como tiene una absorción de radiación solar en el rango visible y puede fabricarse depositando diferentes tipos de sustratos, se ha demostrado que el silicio amorfo es una tecnología sólida para sistemas fotovoltaicos de bajo costo.

El uso de silicio amorfo tiene dos desventajas, el primero es la baja eficiencia de conversión en comparación con las células mono y policristalinas de silicio: segundo; Las células se ven afectadas por un proceso de degradación en los primeros meses de operación, reduciendo así la eficiencia sobre la vida útil,

Figura 3 – Celda de silicio amorfo

Por otro lado, el silicio amorfo tiene ventajas que compensan las deficiencias mencionadas anteriormente, son:

1. Proceso de fabricación relativamente simple y económico;

1. Posibilidad de fabricar células con grandes áreas;

1. Bajo consumo de energía en la producción.