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Antecedentes

A diferencia de muchos países, México tiene el privilegio de contar con hidrocarburos propios, sin embargo, su producción se merma y pronto dejaremos de exportar petróleo para convertirnos en un país importador. Ante un panorama energético en el que, la época de bonanza de los combustibles baratos está llegando a su fin y en el que la inversión requerida para obtener hidrocarburos del fondo marino, requerirá multimillonarias inversiones y tiempo, la diversificación energética es necesaria. Aunado, son los problemas del cambio climático así como la sustentabilidad energética, temas de amenazas en el presente y en el futuro.

Una de las vías a la diversificación energética es mediante la promoción y el aprovechamiento de las diferentes fuentes renovables de energía (FRE). Las “fuentes renovables de energía” ha ganado popularidad en las últimas décadas en el mundo y en algunos países se le conoce como “energía verde” o “energía sustentable”. Las FRE son comúnmente referidas a las energías que provienen de fuentes renovables como: el sol, el viento, geotermia, corriente marina o mareas e hidráulicas. México cuenta con un importante potencial en materia de FRE. El potencial de energía solar en México está entre los más altos del mundo con una insolación media diaria de 5 a 6 kilowatts-hora sobre metro cuadrado (Kwh/m2).

La investigación, el desarrollo y la innovación en el ramo de celdas solares fotovoltaicas y sus aplicaciones, tiene cada vez un mayor interés e impacto en el ámbito internacional debido a sus bondades; un sistema que genera electricidad sin contaminar, no lleva componentes de fricción, es modular, silenciosa, y genera aun con luz difusa.

El tema internacional sobre las celdas solares, inició formalmente en 1955, con enfoque a las aplicaciones espaciales; su primera aplicación exitosa se registró en 1958 en el satélite artificial “Vanguard -1”.

En la actualidad, las celdas que han alcanzado mayor grado de desarrollo y aplicaciones son las de Silicio cristalino, siendo ésta la tecnología que predomina en el mercado mundial debido a su madurez y a la confiabilidad. Sin embargo, su precio, relativamente alto, ha limitado su utilización masiva en las regiones que cuenten con servicio de fluido eléctrico convencional.

Por otra parte, la tecnología de las celdas de películas delgadas comienza a tener participación, aun cuando su eficiencia de conversión esté por debajo a las de

Silicio tipo cristalinas, incrementa su comercialización como sucede con las de CdTe con un potencial a reducir costos o mejorar eficiencias con estructuras y materiales novedosas como la CuInGaSe2 (CIGS), tipo tandem (o apiladas) a base de aleaciones de silicio-germanio, silicio-carbón.

Las celdas fabricadas con otros compuestos, como el arseniuro de galio y fosfuro de indio, tienen expectativas en programas espaciales.

Celdas solares de silicio

Monocristalinas: Las celdas de silicio monocristalino representan el estado del arte de la tecnología fotovoltaica comercial, aunque existen otras combinaciones de materiales que poseen las características requeridas para convertir directamente la energía solar, con eficiencias mayores al 15%. A la fecha se estudian más configuraciones y procesos para mejorar más las eficiencias de conversión y su confiabilidad.

Para fabricar las celdas de Silicio, éste se inicia desde el purificado, fundido y cristalizado (es decir con altas temperaturas del orden de 1460ºC), ya sea en lingotes o en láminas delgadas; posteriormente se rebanan en obleas delgadas, las cuales se pulen químicamente para formar las celdas. Durante el proceso de corte y pulido se desperdicia casi la mitad del material original. Mientras que el espesor requerido en una celda, es del orden de 200 a 300 micras (!m).

La tecnología del Silicio mono y policristalina es madura y registra niveles de eficiencias atractivas para su utilización en regiones en donde el costo de instalación de la electrificación convencional es alto. Además, su producción en el ámbito internacional está debidamente estandarizada.

La evolución comercial de la tecnología fotovoltaica ha sido satisfactoria, considerando que en 1959 el costo por W en los módulos que se usaban en satélites espaciales era de 200 dólares, mientras que en 1976 el costo bajó a 22 dólares. En 1982 la producción mundial anual era de 4 MW y el precio comercial de los módulos era de 10

USD/watt. Actualmente el costo oscila entre los 3.00 y 4.50 USD/watt.

Policristalinas (o Multicristalinas): Las celdas policristalinas se fabrican y operan de manera similar a las monocristalinas; con la diferencia de que en su manufactura se emplea un proceso de crecimiento de lingotes con menor tiempo que los de Silicio monocristalinos. Mediante esta tecnología, en los lingotes de silicio quedan varias fronteras de granos y ahí se interrumpe de manera local el proceso de recolección de portadores eléctricos siendo estas celdas ligeramente de menor eficiencia que las de monocristalinas.

Amorfas: Las celdas solares de silicio amorfo, debido a su alto coeficiente de absorción, son de películas delgadas y únicamente se requiere de una centésima parte de espesor que las cristalinas para absorber el espectro solar.

Las celdas de Silicio amorfo se fabrican depositando capas delgadas de Siliciohidrogenado, normalmente mediante un proceso denominado PECVD (depósito químico en fase de vapor asistido por plasma, por sus siglas en inglés) sobre sustratos de vidrio, plástico o láminas de acero. El espesor de la capa de Silicio amorfo es de aproximadamente 1 µm y tienen la ventaja de fabricar láminas de celdas solares de gran área y en forma continua, lo que no sería posible con la tecnologías cristalinas.

En el caso de las celdas de películas delgadas como el de silicio amorfo, ha alcanzado cierto grado de calidad debido a su costo y a su utilización generalizada en dispositivos tales como relojes, calculadoras, juguetes y otros. Pero debido a su menor eficiencia de conversión, su uso masivo para aplicaciones de potencia se ha visto limitado.

Otras celdas solares: Celdas solares de películas delgadas como el CdTe, CuInGaSe

(CIGS) comienzan a tomar importancia en el mercado internacional debido a las cualidades de ser de películas delgadas y las posibilidades de bajar sustancialmente sus costos de fabricación. Por ejemplo, la empresa First Solar ha anunciado expander su producción a 1,000MW en el transcurso del año 2010, y esta cantidad, sería del orden del 10% de la producción total mundial fotovoltaico. En la fig. 1, se dan a conocer la evolución de la eficiencia de conversión de las diferentes celdas

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