Una cèl·lula fotovoltaica (o cèl·lula solar) és un dispositiu electrònic que converteix l'energia de la llum solar en electricitat. Aquest procés s'anomena efecte fotovoltaic. Les cèl·lules solars són fonamentals per als sistemes fotovoltaics que capten l'energia del sol i la converteixen en electricitat útil per a les nostres llars i dispositius.
Les cèl·lules solars estan fetes de materials que absorbeixen la llum i alliberen electrons. El material més comú és el silici, un element abundant a l'escorça terrestre. Quan els fotons (partícules de llum) arriben a la cèl·lula solar, s'alliberen els electrons del silici. Aquests electrons lliures generen un corrent elèctric quan són capturats.
Els panells fotovoltaics estan formats per diversos grups de cèl·lules fotoelèctriques connectades entre si. Cada grup de cèl·lules solars forma una xarxa de cèl·lules fotovoltaiques connectades en un circuit elèctric en sèrie per augmentar la tensió de sortida. Al mateix temps, també es connecten diverses xarxes en un circuit paral·lel per augmentar la intensitat del corrent elèctric que el dispositiu és capaç de proporcionar.
El tipus de corrent elèctric que proporcionen les plaques fotovoltaiques és de corrent continu.
Estructura i composició
Les cèl·lules solars més comunes estan formades per una capa de silici cristal·lí amb un gruix d'aproximadament 0,3 mm. El procés de fabricació és d'un nivell sofisticat i delicat per tal d'aconseguir l'homogeneïtat del material.
El silici és actualment el material més utilitzat en la creació de noves cèl·lules fotovoltaiques. Aquest material, que és el compost químic més abundant que es troba a l'escorça terrestre, s'obté mitjançant la reducció de sílice. El primer pas és crear silici metal·lúrgic, pur al 98%, a partir de pedres de quars derivades d'una veta mineral (la tècnica de creació no té res a veure amb la sorra).
El silici de grau fotovoltaic ha de ser transparent fins al 99,999%. Per obtenir aquesta quantitat de puresa, el silici s'ha de destil·lar en un compost químic especial. Aquest compost especial torna a convertir el destil·lat en silici.
Les zones positives i negatives de la cèl·lula fotovoltaica
El camp elèctric es genera a partir de la diferent polarització de dues zones de la cèl·lula solar. Generalment, la part superior està carregada negativament i la resta està carregada positivament per crear la unió PN.
La zona P (zona positiva o ànode receptor) és una zona que no té electrons i, per tant, té càrrega positiva. En general, aquesta configuració s'aconsegueix afegint al silici pur una petita part de bor que només té 3 electrons de valència.
La zona N (zona negativa o càtode o emissor) té un excés d'electrons. Generalment, aquesta zona està formada per la difusió de fòsfor que té 5 electrons en l'última òrbita.
A causa d'aquesta diferència de càrrega elèctrica en el material semiconductor, es produeix el camp elèctric responsable d'empènyer els electrons de la capa N a la capa P.
L'eficiència de conversió mitjana obtinguda per les cèl·lules solars fotovoltaiques disponibles comercialment produïdes a partir de silici monocristal·lí és inferior a la de les cèl·lules multicapa, normalment l'arsenur de gal·li.
Actualment també hi ha noves tecnologies en la producció de plaques solars que no utilitzen silici.
Funcionament d'una cèl·lula fotovoltaica
Si connectem una cèl·lula solar fotovoltaica a un circuit elèctric amb una resistència (consum) i alhora rep radiació solar, es produirà una diferència de potencial elèctric entre els seus contactes. Aquesta tensió farà que els electrons flueixin pel circuit, generant un corrent elèctric.
En aquestes condicions, la cèl·lula fotovoltaica actua com a generador de corrent. La llum solar està formada per fotons, que són partícules amb una certa quantitat d'energia. Quan aquests fotons arriben a la cèl·lula solar, impacten els electrons de la capa N del silici. Si un electró absorbeix l'energia d'un fotó amb prou energia, aquest electró s'alliberarà del material, creant un "forat" que serà ocupat per un altre electró. Aquest flux d'electrons genera un corrent elèctric.
El corrent produït per una cèl·lula fotovoltaica il·luminada i connectada a una càrrega és la diferència entre la seva capacitat de producció bruta i les pèrdues degudes a la recombinació d'electrons i fotons. L'eficiència de la cèl·lula depèn de diversos factors, com ara la qualitat del material i la quantitat de llum solar que cau sobre la cèl·lula.
Exemples d'aplicacions de cèl·lules solars
Les cèl·lules solars tenen diverses aplicacions tant en petits dispositius com en grans sistemes de generació d'energia. Aquests són alguns exemples destacats:
Dispositius petits
- Calculadores : utilitzen cèl·lules solars per treballar sense necessitat de piles. Aquestes calculadores són habituals a les oficines i les escoles.
- Rellotges : Alguns rellotges utilitzen cèl·lules solars per recarregar les seves bateries, allargant la seva vida útil i reduint la necessitat de canvis freqüents de bateries.
- Llums de jardí : Els llums solars de jardí tenen cèl·lules solars que capten l'energia del sol durant el dia i l'utilitzen per il·luminar a la nit, sense necessitat de cables ni consum elèctric de la xarxa.
Sistemes residencials
- Plaques solars a les teules : Moltes cases estan equipades amb plaques solars que converteixen la llum solar en electricitat per a ús domèstic. Això pot reduir significativament les factures d'electricitat i la dependència de fonts d'energia no renovables.
Aplicacions industrials i comercials
- Plantes solars : les grans instal·lacions solars utilitzen grans quantitats de panells solars per generar electricitat a escala comercial, proporcionant energia neta a milers de cases i empreses.
- Estacions de recàrrega per a vehicles elèctrics : algunes estacions de recàrrega utilitzen plaques solars per proporcionar energia als vehicles elèctrics, afavorint la sostenibilitat i reduint la càrrega a la xarxa elèctrica.
Aplicacions especialitzades :
- Satèl·lits i espai : els satèl·lits i altres naus espacials utilitzen cèl·lules solars per generar energia a l'espai, on la llum solar és abundant i constant.
- Dispositius portàtils i d'emergència : les cèl·lules solars s'utilitzen en carregadors portàtils per a telèfons mòbils i en equips d'emergència, garantint el subministrament d'energia en situacions crítiques.