¿Cómo convierte la energía solar fotovoltaica la luz solar en electricidad?

I. El principio fundamental de la generación de energía fotovoltaica: la mágica transición de los fotones a los electrones
(I) Materiales semiconductores: el "convertidor de energía" de la generación de energía fotovoltaica
El núcleo de la generación de energía fotovoltaica son las obleas semiconductoras de silicio. Su principio de funcionamiento se basa en el efecto fotoeléctrico y debe cumplir dos condiciones clave:
Ajuste de la banda prohibida: La banda prohibida del silicio (Si) es de 1,12 eV, que corresponde a la luz visible (1,6-3,1 eV) y la luz infrarroja cercana (0,7-1,6 eV), con la mayor energía del espectro solar, y puede absorber eficazmente alrededor del 40 % de la energía de la radiación solar.
Estructura PN: Mediante el proceso de dopaje, se forman interfaces semiconductoras de tipo P (dopada con boro, con mayor número de huecos) y tipo N (dopada con fósforo, con mayor número de electrones) en la oblea de silicio, creando un campo eléctrico interno (con un voltaje de aproximadamente 0,6-0,7 V) que proporciona la energía necesaria para la separación de cargas.
Cuando la luz solar incide sobre la oblea de silicio, los fotones con energía superior a la banda prohibida excitan los electrones de la banda de valencia, que saltan a la banda de conducción, generando pares electrón-hueco. Bajo la acción del campo eléctrico interno de la unión PN, los electrones migran a la región N y los huecos a la región P, formando una diferencia de potencial. El circuito externo puede derivar corriente y realizar la conversión directa de energía luminosa en energía eléctrica. (II) Análisis de los pasos clave de la conversión fotoeléctrica
Absorción de fotones: El espesor de la oblea de silicio es de aproximadamente 180-200 μm, lo que permite absorber más del 90 % de la luz con una longitud de onda de 400-1100 nm. La energía restante se pierde en forma de calor o transmisión.
Separación de cargas: El campo eléctrico incorporado en la unión PN permite que la eficiencia de separación de pares electrón-hueco supere el 95 %. Si no se separan a tiempo, las cargas se recombinarán y se romperán en un plazo de 1 a 10 microsegundos.
Recolección de corriente: Las líneas de la rejilla metálica (con una separación de aproximadamente 0,5-1 mm) en la superficie de la región N recolectan electrones, y el electrodo posterior de la región P recolecta huecos. Se forma un circuito cerrado a través del cable. El voltaje de salida de una celda individual típica es de 0,5-0,6 V, y la corriente aumenta linealmente con la intensidad de la luz.
II. Materiales clave y diseño estructural de células fotovoltaicas
(I) Obleas de silicio: del silicio de alta pureza a capas fotoabsorbentes de alta eficiencia
Preparación del silicio de alta pureza: Se preparan lingotes de silicio policristalino con una pureza del 99,9999 % mediante el método de reducción con triclorosilano (método Siemens), que posteriormente se cortan, biselan y rectifican para eliminar los defectos y formar un núcleo fotoabsorbente.
Texturizado superficial: Se utiliza una solución alcalina para grabar la superficie de las obleas de silicio y formar una estructura piramidal (altura de 1-10 μm), lo que reduce la reflectividad de la luz del 30 % a menos del 5 %, lo que equivale a un aumento del 15 % en la tasa de utilización de la energía lumínica.
Recubrimiento con película antirreflejo: Se deposita una película de dióxido de silicio (SiO₂) o nitruro de silicio (SiNₓ) de 50-100 nm de espesor sobre la superficie de la oblea de silicio para reducir aún más la reflexión mediante el principio. de la interferencia de la luz, a la vez que protege la oblea de silicio de la erosión ambiental.
(II) Electrodos y materiales conductores: Permitir que la carga "corra".
Líneas de rejilla metálicas: Las líneas de rejilla impresas con pasta de plata en la cara frontal (ancho 20-30 μm) deben equilibrar la conductividad y la tasa de sombreado. Un diseño optimizado puede lograr un área de sombreado <5 % y una eficiencia de captación de corriente >98 %.
Tecnología de contacto posterior: Al colocar todos los electrodos positivos y negativos en la parte posterior de la batería (como las baterías IBC) para evitar el sombreado de las líneas de rejilla frontales, la eficiencia de conversión puede aumentar entre un 1 % y un 2 %. Un laboratorio ha alcanzado una eficiencia del 26,8 % en baterías de silicio monocristalino.
Función de los materiales auxiliares: En algunas pastas conductoras o capas de interfaz, el dióxido de manganeso (MnO₂) puede utilizarse como potenciador de la conductividad o catalizador para aumentar la tasa de transferencia de carga gracias a su singular estructura en capas, o como material de modificación de la capa de transporte de huecos en baterías de perovskita. Aunque no es el núcleo, ayuda a optimizar el rendimiento.
III. De celda individual a sistema de generación de energía: ventajas técnicas y escenarios de aplicación
(I) Arquitectura de tres capas del sistema fotovoltaico
Capa de batería: celdas individuales de silicio conectadas en serie para formar un módulo (60/72 piezas en serie, voltaje 30-40 V), encapsulado con película de EVA y vidrio/placa base, con una resistencia a la intemperie de 25 años (atenuación de potencia < 20 %);
Capa de inversor: convierte la energía CC en CA (eficiencia de conversión > 98 %) y cuenta con función MPPT (seguimiento del punto de máxima potencia) para optimizar la potencia de salida en tiempo real. Según mediciones reales, un proyecto determinado puede aumentar la generación de energía entre un 5 % y un 8 %;
Capa de sistema: coopera con soportes (seguimiento/fijos), cajas de conexiones y equipos de monitoreo para formar una unidad completa de generación de energía. Las centrales fotovoltaicas distribuidas (domésticas, industriales y comerciales) y las centrales eléctricas centralizadas (en zonas desérticas y superficiales) presentan cada una sus propias ventajas.
(II) Ventajas ambientales y económicas irremplazables
Propiedades limpias: La generación anual de energía por kilovatio de capacidad fotovoltaica instalada es de 1200 a 1500 kWh, lo que equivale a reducir las emisiones de CO₂ en 1 tonelada y las emisiones en 25 toneladas durante su ciclo de vida (25 años), lo que equivale a más de 5 veces las emisiones de carbono en el proceso de fabricación (periodo de recuperación de la energía <1,5 años).
Ventajas en cuanto a costes: En los últimos diez años, el coste de la electricidad fotovoltaica ha bajado de 3 yuanes a menos de 0,3 yuanes, inferior al de la generación de energía a partir de carbón (0,5 yuanes). El periodo de amortización de la inversión en un proyecto industrial y comercial de tejados se ha acortado a 5-6 años.
Resistencia de la aplicación: Gracias a su funcionamiento estable en un entorno de -40 °C a 85 °C, la capacidad instalada en las zonas de gran altitud del Tíbet (intensidad lumínica de 1800 kWh/m²/año) ha aumentado un 20 % anual, convirtiéndose en la primera opción de suministro eléctrico en zonas remotas.
IV. Iteración tecnológica: Del polisilicio a la innovación fotovoltaica de última generación.
(I) Tres direcciones principales para la mejora de la eficiencia.
Innovación estructural: Las células HIT (heterounión) pasivan la interfaz silicio amorfo/silicio cristalino, con una eficiencia de conversión del 26,8 % (> 24 % para la línea de producción en masa) y un coeficiente de temperatura de tan solo -0,25 %/°C, lo que las hace más adaptables a entornos de alta temperatura que las células PERC tradicionales (-0,38 %/°C). Expansión del material: La eficiencia de laboratorio de las células de perovskita alcanza el 26,3 %, mientras que la de las células apiladas de silicio supera el 33 %. Sus características de ancho de banda ajustable (1,2-2,3 eV) permiten cubrir un espectro más amplio y podrían convertirse en el límite de eficiencia en el futuro.
Optimización del proceso: Las células TOPCon mejoran la eficiencia de separación de portadores mediante la capa de óxido de tunelización posterior (SiO₂ de 1-2 nm), y la eficiencia de producción en masa supera el 25 %. Un fabricante ha planificado una capacidad de producción de 100 GW, impulsando a la industria hacia la "era de la eficiencia del 25 %".
(II) Valor auxiliar potencial del dióxido de manganeso
En la investigación de nuevas baterías, la aplicación del dióxido de manganeso está emergiendo gradualmente:
Modificación del agente conductor: La adición de nanoláminas de MnO₂ al electrodo de carbono de la batería de perovskita puede aumentar la tasa de transferencia de electrones en un 15 % y reducir la resistencia de la interfaz.
Función del catalizador: En el sistema de producción de hidrógeno por electrólisis de agua fotovoltaica, el MnO₂ se utiliza como catalizador de evolución de oxígeno (REA) para lograr una producción eficiente de hidrógeno con energía fotovoltaica. Aunque no es el núcleo de la energía fotovoltaica, ha expandido la cadena industrial de "luz-electricidad-hidrógeno".
V. Desafíos y futuro: Que el sol ilumine cada kilovatio-hora de electricidad.
Cuello de botella del material de silicio: La producción de polisilicio consume mucha energía (120-150 kWh por kilogramo de electricidad), y es necesario promover el método de lecho fluidizado (consumo de energía reducido en un 50%) y la tecnología de reciclaje de silicio de grado electrónico (tasa de recuperación > 90%).
Apoyo al almacenamiento de energía: La producción fotovoltaica se ve afectada por el día y la noche, y es necesario desarrollar simultáneamente baterías de litio (eficiencia de almacenamiento de energía del 90%) y almacenamiento por bombeo (capacidad de hasta GW) para lograr el salto de "generación y uso" a "suministro de energía estable".
Apoyo político: Más de 130 países en el mundo han propuesto objetivos de neutralidad de carbono, y se espera que la política de China de "promoción integral de la energía fotovoltaica distribuida" impulse la instalación. Capacidad para superar los 100 millones de kilovatios en 2025, con un tamaño de mercado del 30 % anual.
Conclusión
Desde la primera celda de silicio práctica (con una eficiencia del 6 %) en Bell Labs en 1954 hasta los módulos actuales con una eficiencia superior al 26 %, la generación de energía solar fotovoltaica ha tardado 70 años en demostrar que los avances científicos pueden transformar los dones naturales en una fuerza transformadora del panorama energético. Cuando la luz solar incide sobre obleas de silicio y los electrones migran ordenadamente en las uniones PN, esta tecnología basada en la física de semiconductores no solo ilumina miles de hogares, sino que también ilumina la única manera de que la humanidad se despida de la energía fósil. Con el continuo avance en la innovación de materiales y la integración de sistemas, la generación de energía solar fotovoltaica se convertirá en la opción energética más económica y fiable, haciendo que cada kilovatio-hora de electricidad brille con luz limpia.


author: Hazel
date:2025-05-28