Energía fotovoltaica: convertir luz en corriente y el techo que lo limita
La fotovoltaica es la tecnología de generación más desplegada de la última década y aquella cuyo desplome de precios desbarató casi todas las previsiones. La física tiene un siglo y apenas ha cambiado. Lo que cambió fue la fabricación, y entender por qué la célula tiene un techo duro explica a la vez por qué el progreso pareció lento durante décadas y por qué lo que cayó fueron los costes.
Qué ocurre dentro de la célula
La luz llega en forma de fotones, y un fotón con energía suficiente puede arrancar un electrón de su enlace en un semiconductor, dejando tras de sí un hueco de carga positiva. Hasta ahí se trata del efecto fotoeléctrico, que por sí solo no produce nada aprovechable: el electrón y el hueco vagan y se recombinan en microsegundos, liberando de nuevo la energía como calor.
La célula fotovoltaica añade la pieza que la convierte en fuente de energía. Dos capas de silicio se dopan de manera distinta -una con un ligero exceso de electrones, otra con un ligero déficit- y allí donde se encuentran la carga se redistribuye hasta formar un campo eléctrico interno permanente a través de la unión. Esa es la unión p-n, y el campo suele valer una fracción de voltio en una región de menos de un micrómetro de espesor.
Cuando un fotón libera un par dentro o cerca de esa región, el campo empuja al electrón hacia un lado y al hueco hacia el otro antes de que puedan recombinarse. Las cargas separadas en los dos contactos constituyen una tensión, y conectar un circuito permite a los electrones volver por el camino largo, realizando trabajo por el camino.
Esto es conversión directa en sentido estricto, sin etapa de calor. Los límites térmicos que acotan una central de carbón o nuclear al 33-45 por ciento no se aplican. Una célula fotovoltaica tiene su propio techo, y procede de un lugar completamente distinto.
El límite de Shockley-Queisser
En 1961 William Shockley y Hans-Joachim Queisser preguntaron qué podía lograr la mejor célula posible de una sola unión, partiendo únicamente del espectro solar y de las leyes de la termodinámica. La respuesta fue cerca del 33 por ciento, y ninguna célula de unión simple de ningún material lo ha superado jamás.
El razonamiento descansa en la banda prohibida: la energía mínima que un fotón necesita para liberar un electrón en un semiconductor dado. En el silicio son unos 1,1 electronvoltios. Todo fotón con menos energía atraviesa la célula sin aportar absolutamente nada; en la luz solar eso supone alrededor del 20 por ciento de la energía entrante, en su mayoría infrarroja.
Todo fotón con más energía libera exactamente un electrón, no más, y el excedente se pierde de inmediato como calor dentro del cristal. Un fotón azul transporta casi tres electronvoltios; la célula se queda con 1,1 y descarta el resto. Esa pérdida por termalización supone otro 30 por ciento aproximado.
Las dos pérdidas tiran en sentidos opuestos, y eso es lo que convierte el límite en un límite. Bajar la banda prohibida para captar más infrarrojo aumenta el desperdicio por termalización. Subirla para reducir ese desperdicio hace que se pierdan más fotones por completo. Cerca de 1,3 electronvoltios ambas se equilibran, y el silicio, con 1,1, queda lo bastante cerca como para que su abundancia y madurez compensen la diferencia.
Las células multiunión escapan apilando capas con bandas prohibidas distintas, cada una encargada de una franja del espectro. Superan el 47 por ciento bajo luz concentrada y cuestan demasiado para cualquier cosa que no sean satélites y sistemas de concentración. Las capas de perovskita sobre silicio son el intento actual de conseguir lo mismo de forma barata.
Por qué se desplomó el precio
El rendimiento de las células ha mejorado despacio y de forma sostenida: los módulos comerciales de silicio pasaron de cerca del 15 por ciento en 2010 al 22-24 por ciento actual. Es una mejora apreciable y no es lo que transformó el sector.
Lo que cambió fue el coste por vatio, que cayó más de un 99 por ciento entre 1975 y hoy, y cerca de un 90 por ciento solo en la década de 2010. El mecanismo fue la escala de fabricación y la curva de aprendizaje asociada: históricamente, cada duplicación de la producción acumulada ha traído una reducción de precio de alrededor del 20 por ciento, una relación que se ha mantenido durante cuatro décadas y en tres continentes de producción.
En la práctica eso significó obleas más grandes, cortes más finos, menos plata en los contactos, sierras de hilo diamantado que desperdician menos material y fábricas que operan a escala de gigavatios en lugar de megavatios. Nada de ello es física espectacular. Todo ello explica que la fotovoltaica sea hoy la fuente de electricidad nueva más barata en la mayor parte del mundo.
La consecuencia para el futuro de la tecnología es que las mejoras de rendimiento importan menos que antes. Cuando los módulos eran caros, un punto porcentual justificaba un sobrecoste considerable. Ahora que son baratos, el resto del sistema -estructura, cableado, inversores, mano de obra, permisos- domina el precio instalado, y esos costes bajan con el rendimiento solo de forma indirecta.
Qué resuelve la fotovoltaica y qué no
Una célula solar produce potencia en el instante en que la luz incide y deja de hacerlo en cuanto la luz cesa. No hay inercia, ni depósito de combustible, ni rampa de arranque. Los factores de capacidad van, en consecuencia, de cerca del 10 por ciento en el norte de Europa al 25 por ciento en regiones desérticas: una instalación de un megavatio produce una media de 100 a 250 kilovatios a lo largo del año.
Es una propiedad del recurso, no un defecto del equipo, y la misma distinción se aplica a la eólica. La respuesta técnica consiste en almacenar el excedente -por eso el almacenamiento y la fotovoltaica han crecido juntos- o en combinarla con generación que funcione al margen del clima.
El desajuste diario es la mitad más manejable. La solar alcanza su punta al mediodía y la demanda por la tarde, una brecha de unas pocas horas que las baterías cubren bien y que ha convertido el almacenamiento de cuatro horas en el producto estándar de red. El desajuste estacional es más difícil: en latitudes altas la producción de diciembre puede ser una décima parte de la de junio, y ninguna flota de baterías salva una estación.
Ese residuo explica que una red no se componga solo de fotovoltaica, y que la investigación en fuentes de generación continua -de la geotermia y la fisión nuclear a los enfoques de energía ambiental aún en laboratorio- aborde una parte distinta del problema en lugar de competir por la misma.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es el rendimiento máximo de un panel solar?
Para una célula de silicio de unión simple, cerca del 33 por ciento, fijado por el límite de Shockley-Queisser. Los módulos comerciales alcanzan el 22-24 por ciento y las células de laboratorio de silicio en torno al 27. Las células multiunión apilan materiales distintos y superan el 47 por ciento bajo luz concentrada, a un coste que las restringe a satélites y sistemas especializados.
¿Por qué no puede una célula aprovechar toda la luz solar?
Por dos pérdidas inevitables. Los fotones con menos energía que la banda prohibida atraviesan la célula sin liberar electrones: cerca del 20 por ciento de la luz solar en el caso del silicio. Los fotones con más energía liberan un electrón cada uno y desperdician el excedente como calor, otro 30 por ciento aproximado. Cambiar la banda prohibida reduce una pérdida y aumenta la otra.
¿Es una célula solar lo mismo que el efecto fotoeléctrico?
El efecto fotoeléctrico es el paso subyacente: un fotón libera un electrón. Una célula fotovoltaica añade una unión p-n cuyo campo eléctrico interno separa ese electrón de su hueco antes de que se recombinen, que es lo que convierte el efecto en una tensión aprovechable.
¿Por qué se abarató tan rápido la solar?
Por escala de fabricación, no por física. El coste de módulo por vatio ha caído alrededor de un 20 por ciento con cada duplicación de la producción acumulada, relación que se ha mantenido durante cuatro décadas. El rendimiento también mejoró, del 15 al 23 por ciento desde 2010, pero el desplome de precios vino de las fábricas, del manejo de obleas y del uso de materiales.
¿Cuánto tarda un panel en devolver la energía empleada en fabricarlo?
Entre unos seis meses y dos años según la ubicación y el mix energético de fabricación, frente a una vida útil de 25 a 30 años con una producción que a los 25 años suele superar el 80 por ciento de la inicial. La purificación del silicio es el paso de mayor consumo, y por eso el retorno es más corto donde la red de la fábrica es más limpia.
