Las placas solares fotovoltaicas se basan en dos obleas o láminas con materiales semiconductores. Ambas utilizan unos elementos químicos, denominados "dopantes", que fuerzan a una de las planchas a tener un exceso de electrones (carga negativa, N) y a la otra, a una falta de estos (carga positiva, P). Esta unión P-N genera un campo eléctrico con una barrera de potencial que impide que se trasvasen electrones entre las planchas.
Cuando se expone esta unión P-N a la radiación solar, los fotones de la luz transmiten su energía a los electrones. Con este aporte, rompen la barrera de potencial y salen del semiconductor por un circuito exterior, de manera que se produce corriente eléctrica. Las placas fotovoltaicas se componen de células, el módulo más pequeño capaz de producir electricidad.
El silicio es el material más utilizado para estos paneles fotovoltaicos, si bien se fabrica de formas diferentes. El silicio puro monocristalino permite un rendimiento en los paneles comerciales del 16%, pero su precio es caro. El silicio puro policristalino, reconocible por su aspecto granulado, es más barato pero logra un rendimiento del 14%. El amorfo se utiliza en pequeños aparatos, como calculadoras, relojes o paneles portátiles de menor tamaño. Su rendimiento es del 8%. Los científicos trabajan con otros materiales, como el teleruro de cadmio o los sulfuros y seleniuros de indio para ampliar el abanico de posibilidades.
Las placas solares pueden ser fijas, muy típicas en los tejados, o dinámicas, gracias a los seguidores solares. Estos dispositivos mejoran el rendimiento de los paneles, ya que su misión consiste en seguir al Sol desde su salida hasta la puesta. También se puede extraer rendimiento de las placas solares fotovoltaicas mediante su fusión con otros sistemas renovables: un sistema mixto eólico-solar o solar fotovoltaico-térmico son algunas posibilidades.
Estas placas se comercializan en la actualidad de forma mayoritaria, gracias a su alta eficiencia, que podría llegar en teoría a un máximo del 33%. Su alto precio y su fragilidad han llevado a los investigadores a probar otros materiales y sistemas que permitan nuevas generaciones de paneles.
De la primera a la cuarta generación
La segunda generación de células solares se conoce desde los años noventa. Se basan en un método de producción epitaxial para crear láminas mucho más flexibles y delgadas que sus predecesoras. Por ello se las denomina de lámina delgada. La eficiencia, entre el 28% y el 30%, es otra de sus principales ventajas, pero su elevado coste las limita hoy en día a los sectores aeronáutico y espacial.
Algunos expertos hablan ya de paneles solares de bajo coste
Diversas empresas de todo el mundo trabajan para generalizar estos sistemas de segunda generación. Algunos expertos hablan ya de paneles solares de bajo coste, que emplean materiales distintos al silicio, como microestructuras CIGS, denominadas así por las materias que utiliza (cobre, indio, galio y selenio), o CIS, en caso de no incluir galio. Otros investigadores han creado tecnologías como las células orgánicas fotovoltaicas (OPV), unos polímeros (plásticos) orgánicos capaces de reaccionar a la luz solar.
Las posibilidades de estos materiales son enormes. Por el momento, la eficiencia de estas placas es todavía más baja que las de primera generación, pero sus defensores aseguran que sólo es cuestión de tiempo alcanzarlas e incluso superarlas. Algunos expertos estiman que podrían tener una relación coste/eficiencia mejor que los combustibles fósiles a partir de 2015.
La tercera generación, todavía en fase de experimentación, persigue mejorar aún más los paneles de láminas delgadas. Diversos investigadores y empresas de todo el mundo trabajan en varias tecnologías, como las denominadas de huecos cuánticos, nanotubos de carbono o nanoestructuras de óxido de titanio con colorante (DSSC). Con ellas se podría crear una pintura que recubriría las casas o las carreteras para generar energía; así como tintes para todo tipo de aparatos electrónicos, prendas textiles o coches solares. La eficiencia de estos sistemas también podría ser superior (entre el 30% y el 60%). Sus defensores creen que estas placas podrían empezar a comercializarse sobre 2020.
Una cuarta generación de paneles solares uniría nanopartículas con polímeros para lograr células más eficientes y baratas. El panel se basaría en varias capas que no sólo aprovecharían los diferentes tipos de luz, sino también el espectro infrarrojo. La NASA ha utilizado esta tecnología multi-unión en sus misiones a Marte.
Otros expertos no hablan de generaciones, sino de avances en la relación coste de fabricación/eficiencia de la conversión energética. En teoría, los paneles solares podrían lograr una conversión de la luz solar en electricidad de un 93%. El coste tendría que bajar también más para competir con los combustibles fósiles y la energía nuclear.
Origen de las placas solares fotovoltaicas
El descubrimiento del efecto fotovoltaico, la base de las células solares que permite convertir la luz solar en electricidad, se atribuye al físico francés Alexandre-Edmond Becquerel en 1839. Cinco décadas después, en 1883, el inventor americano Charles Fritts creó la primera célula fotovoltaica. Para ello utilizó un semiconductor de selenio con una fina capa de oro. Era un pequeño dispositivo con una eficiencia del 1%. En 1946, el ingeniero americano Russell Shoemaker Ohl patentó la célula solar moderna.
En cuanto al término "fotovoltaico", proviene del griego "photo" (luz) y del apellido del físico italiano Alessandro Volta, conocido por sus experimentos con electricidad y por el desarrollo de la pila eléctrica.
