Panel solar: cómo funciona

Qué muestra el modelo

Mira un panel solar sobre un tejado soleado y parece que no ocurre nada. No hay zumbidos, nada gira y nada se consume. Sin embargo, un cable va desde la parte posterior del panel hasta una caja en la pared, y esa caja puede hacer hervir el agua de un hervidor. Esta exposición sigue la electricidad hacia atrás, desde el hervidor hasta su origen: una capa de silicio más delgada que una uña, situada bajo el vidrio.

A la izquierda hay una pequeña casa de tejado plano con diez paneles sobre dos soportes inclinables. Un cable negro lleva su corriente continua por la fachada hasta un inversor, y desde allí un segundo cable atraviesa el contador y llega al poste situado detrás de la casa. El sol se mueve por su arco del mediodía en el cielo del sur, y las sombras se desplazan con él. El panel del extremo derecho de la fila delantera es el que la exposición examina de cerca: se puede desmontar, tiene debajo una caja de conexiones con diodos de derivación y permite dejar caer una hoja sobre una de sus células.

A la derecha flota un corte de una célula, dibujado muchos miles de veces mayor que su tamaño real. De arriba abajo puedes ver contactos de plata, un revestimiento azul oscuro sobre una superficie tallada en diminutas pirámides, una fina capa de tipo n, la unión con sus iones fijos y su campo eléctrico, una base gruesa de tipo p y una capa de aluminio en la parte posterior. Los trazos de colores son fotones. Cuando se absorbe uno, deja un electrón azul y un hueco rojo, y el campo los separa.

El indicador muestra la luz que llega al panel, la temperatura de las células, la potencia del panel con la hoja, la del conjunto completo antes y después del inversor y el calor en la célula sombreada. El pequeño gráfico representa la potencia de un panel frente a su tensión; el punto rojo indica dónde está funcionando en ese momento, y la tenue curva discontinua corresponde al mismo panel a 1000 W/m² y 25 °C como comparación. Los deslizadores cambian la altura del sol, la inclinación de los soportes, la temperatura de las células y la fracción de una célula que cubre la hoja. Un interruptor retira los diodos de derivación.

El panel del modelo es un tipo habitual de 60 células, con células M2 cuadradas de 156,75 mm de lado. Su comportamiento eléctrico procede de un modelo de un diodo con valores elegidos para ajustarse a paneles monocristalinos corrientes: a 1000 W/m² y 25 °C produce 307 W, el 18,8 % de la luz solar sobre sus 1,63 m². El artículo indica dónde se ha simplificado el modelo.

Dos tipos de silicio en un mismo corte

El silicio puro es un mal conductor. Cada átomo comparte sus cuatro electrones externos con cuatro vecinos, y a temperatura ambiente muy pocos de esos electrones se liberan. Los fabricantes de células cambian esto deliberadamente. Añaden un poco de fósforo a la fina capa superior. El fósforo tiene cinco electrones externos, de modo que cada átomo de fósforo aporta un electrón sobrante que puede desplazarse por el cristal. Esa capa se llama de tipo n, por negativo. A la base gruesa se le añade en cambio un poco de boro. El boro solo tiene tres electrones externos, por lo que cada átomo de boro deja un espacio en los enlaces. Un electrón vecino puede saltar a ese espacio, lo que desplaza el espacio a otro lugar, y así este se comporta como una partícula positiva. Se llama hueco, y la capa es de tipo p.

Al juntar las dos capas ocurre algo de inmediato en su frontera. Los electrones sobrantes del lado n pasan al lado p y llenan los huecos que hay allí. Eso deja a los átomos de fósforo cercanos a la frontera con un electrón menos, por lo que se convierten en iones positivos fijos, y a los átomos de boro al otro lado con un electrón de más, convertidos en iones negativos fijos. En el modelo son las bolas rojas y azules con los signos + y −. No pueden moverse porque forman parte del cristal.

La franja que ha perdido sus electrones libres y sus huecos es la región de agotamiento. Entre sus iones positivos y negativos hay ahora un campo eléctrico, representado por las flechas naranjas que apuntan del lado n al lado p. El campo impide que crucen más electrones, de modo que la unión alcanza el equilibrio. PVEducation describe este equilibrio en su sección sobre la formación de una unión pn. La unión es la parte de la célula que realiza la separación, y el resto del corte sirve para llevarle luz y extraer de ella las cargas.

Cómo libera un fotón a un electrón

La luz llega en paquetes de energía llamados fotones. Para liberar un electrón de un enlace del silicio, un fotón debe aportar al menos la energía de la banda prohibida del silicio, 1,12 electronvoltios. Eso corresponde a una longitud de onda de unos 1107 nm, en el infrarrojo cercano. Los fotones con longitudes de onda mayores atraviesan directamente la célula. Los fotones con longitudes de onda menores liberan un electrón, y la energía sobrante se convierte en calor casi de inmediato. Un fotón azul de 450 nm transporta 2,76 eV, por lo que unos 1,64 eV se pierden como calor en el cristal.

El lugar donde se absorbe un fotón depende de su color. La luz azul se absorbe en una fracción de micrómetro, muy cerca de la superficie. La luz roja y la del infrarrojo cercano pueden penetrar mucho más antes de ser absorbidas. En el modelo, los trazos azules se detienen en la capa n, los verdes en la parte superior de la base y los rojos más abajo.

El fotón absorbido deja un electrón que puede moverse libremente y un hueco donde antes estaba. Si nada los separa, vagan al azar y tarde o temprano el electrón vuelve a caer en un hueco. Eso es la recombinación, y la energía se pierde como calor. Por tanto, un par creado en la base de tipo p tiene que llegar por difusión a la unión antes de recombinarse. Cuando alcanza el borde de la región de agotamiento, el campo toma el relevo. Arrastra el electrón hacia arriba, a la capa n, y empuja el hueco hacia abajo, a la base. Los destellos blancos del modelo son pares que no lo consiguieron, y hay más cuando la célula está caliente.

El campo convierte los pares en corriente

Los electrones separados se acumulan en la capa n y los huecos separados en la capa p. Eso crea una tensión entre la cara frontal y la posterior de la célula. Si ambas caras se unen mediante un cable, los electrones salen por los finos dedos de plata de la cara frontal, recorren la cinta, atraviesan la carga y vuelven al aluminio de la parte posterior, donde llenan los huecos que los esperan. Los puntos azules del cable en el modelo muestran ese flujo. Cuanta más luz llega, más pares se crean y mayor es la corriente.

Una sola célula proporciona una tensión pequeña. En la célula del modelo es de unos 0,68 V sin nada conectado y de 0,55 V en el punto de máxima potencia, donde la célula entrega 9,26 A y 5,12 W. Por eso un panel conecta 60 células en serie: sus tensiones se suman hasta dar 33,2 V en el punto de máxima potencia y 40,8 V sin carga.

Los dedos tienen que ser finos porque la plata bloquea la luz. También deben estar cerca unos de otros porque la capa n es delgada y opone resistencia al movimiento lateral de los electrones. La solución de compromiso es un peine de líneas estrechas que atraviesan la célula, recogidas por tres barras colectoras más anchas. Puedes ver ambas en los paneles del modelo.

Por qué las células parecen azul oscuro

El silicio pulido sin revestimiento es gris brillante y refleja mucha luz. Con un índice de refracción de aproximadamente 3,9, una superficie plana de silicio en el aire refleja alrededor del 35 % de la luz que le llega perpendicularmente. Dos recursos reducen esta reflexión. Primero, la superficie se graba formando diminutas pirámides. Un rayo que rebota en una cara suele dirigirse a la siguiente, por lo que tiene una segunda oportunidad de entrar. Segundo, la superficie se cubre con una película transparente delgada, normalmente de nitruro de silicio. PVEducation explica cómo funciona un revestimiento de un cuarto de longitud de onda: la luz reflejada en la parte superior de la película y en el silicio que hay debajo regresa con media onda de diferencia y se cancela. Para una película con índice de refracción 2,0 y luz de 600 nm, el espesor adecuado es 600 ÷ (4 × 2,0) = 75 nm. La cancelación funciona mejor en el centro del espectro, y la poca luz que aún regresa es sobre todo azul. Ese es el color de una célula solar.

De las células al panel

Un panel envuelve las células en capas que las protegen de la intemperie durante décadas. Arriba hay vidrio templado, un plástico transparente une las células a él y una lámina posterior blanca cierra la parte trasera. Un marco de aluminio mantiene unido el conjunto de capas. Abre el segundo paso de la guía y el panel de la derecha se separa para que puedas ver las capas.

Las 60 células están conectadas en serie, en tres grupos de 20. Cada grupo tiene un diodo de derivación en la caja de conexiones de la parte posterior. Con luz solar normal, los diodos no hacen nada. Cobran importancia cuando una célula queda sombreada, como explica la sección sobre la sombra.

El ángulo del sol y la ley del coseno

La potencia de la luz solar depende en primer lugar de cuánto aire tiene que atravesar. PVEducation ofrece un ajuste sencillo para el haz directo: I = 1353 × 0,7^(AM^0,678) W/m², donde AM, la masa de aire, es la longitud del recorrido por la atmósfera comparada con el recorrido cuando el sol está justo encima. El modelo usa la fórmula de Kasten y Young para la masa de aire y añade luz difusa del cielo equivalente al 10 % del haz directo, como propone PVEducation para un día despejado. Con el sol justo encima, el haz directo es de 947 W/m². A 30° es de 766 W/m², y a 10° solo de 431 W/m², porque la luz atraviesa 5,6 veces más aire.

El segundo factor es el ángulo con el que la luz llega al panel. Un haz que incide con un ángulo θ respecto a la perpendicular se reparte sobre una superficie mayor, de modo que la potencia por metro cuadrado disminuye según cos θ. Esta es la ley del coseno. Para un panel orientado en la dirección del sol, θ es simplemente 90° menos la altura del sol menos la inclinación, y cos θ equivale a sin(altura del sol + inclinación).

Algunos valores del modelo:

Las filas de 29° corresponden a un mediodía de invierno en Seúl, a 37,6° N de latitud, donde la altura del sol al mediodía va de unos 29° en diciembre a unos 76° en junio. Una inclinación fija próxima a 30° es una solución de compromiso para todo el año. En junio, con el sol a 76°, el mismo soporte de 33° recibe 975 W/m² porque el ángulo es de 19° y el coseno sigue siendo 0,95. El coseno es tolerante cerca de cero y severo lejos de ese valor, por eso los paneles planos pierden tanto en invierno.

Los paneles calientes producen menos potencia

El calor reduce la tensión de una célula. A medida que esta se calienta, el propio calor crea más electrones y huecos, y por la unión se fuga más corriente en sentido contrario. PVEducation indica una caída de la tensión de circuito abierto de unos 2,2 mV por °C para el silicio y una pérdida de potencia de entre el 0,4 % y el 0,5 % por °C. El modelo usa 2,2 mV por °C y un pequeño aumento de corriente, del 0,05 % por °C, y termina perdiendo el 0,40 % de su potencia por cada grado.

A 25 °C el panel produce 307 W. A 45 °C produce 282 W, y a 65 °C produce 257 W, un 16 % menos, con una tensión de máxima potencia que baja de 33,2 V a 27,8 V. En un día frío y luminoso a 0 °C, el mismo panel produce 338 W. Los paneles al sol están mucho más calientes que el aire que los rodea. La página de PVEducation sobre la temperatura nominal de funcionamiento de la célula indica 48 °C para un panel típico con 800 W/m² de luz, aire a 20 °C y una brisa suave, por eso la producción estival de un panel suele quedar por debajo de su valor nominal.

Una hoja y el diodo de derivación

La sombra perjudica a un panel más de lo que su superficie sugiere. Las 60 células transportan la misma corriente. Si cubres una, su corriente fotogenerada disminuye, pero las otras 59 siguen impulsando toda la corriente a través de ella. La célula sombreada no puede dejar pasar esa corriente en el sentido normal, así que queda polarizada en inversa y empieza a consumir potencia en lugar de producirla. Este es el punto caliente sobre el que advierte PVEducation.

El diodo de derivación ofrece a la corriente otro camino. Cada diodo está conectado en paralelo con un grupo de 20 células. Cuando una célula del grupo queda sombreada y la tensión del grupo bajaría de unos −0,45 V, el diodo conduce y la mayor parte de la corriente toma el desvío. El grupo queda excluido y el panel sigue funcionando con los otros dos tercios.

Con la hoja cubriendo una célula completa, a 25 °C y a pleno sol, el modelo da estos valores. Con los diodos, el panel sombreado entrega 200 W a 21,7 V. Solo 2,6 A siguen atravesando el grupo sombreado, 6,7 A pasan por el diodo y la célula sombreada transforma 34 W en calor. Sin los diodos, el panel entrega 163 W y toda la corriente de la cadena, 9,2 A, se ve obligada a atravesar la célula sombreada, que se mantiene a su tensión de ruptura inversa y disipa 139 W como calor. Unos pocos centímetros cuadrados que disipen tanta potencia pueden agrietar el vidrio o chamuscar la lámina posterior.

Los diez paneles forman una sola cadena en serie, por lo que la hoja también afecta a los otros nueve. El inversor busca la tensión a la que toda la cadena entrega más potencia. En el modelo, la cadena produce 3,07 kW sin la hoja, 2,96 kW con ella y los diodos, y 2,92 kW sin los diodos. Una célula parcialmente cubierta es un caso especial. Con un 30 % cubierto, el diodo apenas empieza a conducir y la célula sigue fuertemente polarizada en inversa, de modo que el modelo muestra 101 W de calor incluso con el diodo. Por este motivo, la sombra parcial de un poste o una rama es una causa conocida de puntos calientes.

Del tejado al hervidor

Los paneles producen corriente continua. Las casas y la red usan corriente alterna. El US Department of Energy describe el inversor como la caja que realiza esta conversión. También cumple una segunda función: cambia continuamente la tensión de funcionamiento de la cadena para encontrar el punto de máxima potencia, el punto rojo del gráfico. El inversor del modelo pierde un 3 % y la casa consume constantemente 0,5 kW. Con el ajuste de mediodía, el conjunto produce 3,07 kW de corriente continua, el inversor entrega 2,97 kW a 220 V, la casa consume 0,5 kW y 2,47 kW salen a través del contador.

Un inversor de cadena es la disposición más sencilla, pero toda la cadena comparte una sola corriente, por lo que un problema en un panel perjudica a algunos de los demás. La página del DOE también describe los microinversores, que se colocan en cada panel e impiden que uno sombreado reduzca la producción del resto, a un coste mayor.

¿Qué eficiencia puede alcanzar una célula?

Algunas pérdidas son inevitables en una célula con una sola unión. Los fotones por debajo de la banda prohibida no se absorben en absoluto, y los que están por encima pierden su energía sobrante como calor. Shockley y Queisser calcularon en 1961 lo máximo que puede conseguir una sola unión. Las tablas de Rühle de 2016, calculadas para el espectro estándar AM1.5, sitúan el máximo en el 33,16 % para una banda prohibida de 1,34 eV. Los 1,12 eV del silicio están algo por debajo de la banda óptima, y su límite según el mismo razonamiento se aproxima al 33 %. El silicio real también sufre recombinación Auger, que estas cifras idealizadas no incluyen.

Los valores récord de células reales los mantiene el National Laboratory of the Rockies (NLR, anteriormente NREL) en su Best Research-Cell Efficiency Chart, que solo incluye resultados confirmados por laboratorios de ensayo independientes. En la tabla de datos del gráfico, la mejor célula de silicio cristalino alcanza el 28,1 %, una célula de heterounión y contacto posterior de Trina Solar medida en marzo de 2026. Una capa de perovskita sobre silicio llega al 35,2 % (LONGi, febrero de 2026), por encima del límite de una sola unión, porque dos uniones se reparten el espectro. La cifra más alta del gráfico es el 47,6 %, correspondiente a una célula de cuatro uniones de Fraunhofer ISE bajo luz concentrada. Las células de investigación son pequeñas y se fabrican con cuidado; el 18,8 % del panel del modelo es típico de los paneles sobre tejados.

Lo que el modelo deja fuera

• El deslizador «Altura del sol» mantiene el sol exactamente al sur al mediodía, con los paneles orientados hacia él. La pestaña «Sol y día» lo lleva a su posición real para cualquier fecha y hora, pero el modelo del cielo sigue siendo el mismo.
• El cielo está siempre despejado. No hay nubes, bruma ni polvo, y la luz difusa es un 10 % fijo del haz directo.
• La temperatura de las células se fija con el deslizador. Las células reales se calientan con la luz y se enfrían con el viento.
• Los diez paneles tienen las mismas células. Los paneles reales difieren unos pocos puntos porcentuales, lo que resta algo de potencia a una cadena.
• Se ignora la reflexión en el vidrio con ángulos muy oblicuos, por lo que el modelo es demasiado generoso cuando el sol está muy bajo.
• El corte no está a escala. Una célula real tiene unos 0,2 mm de espesor, la capa n mide menos de un micrómetro y la región de agotamiento es aún más delgada. Los fotones, electrones y huecos son representaciones; una célula real a pleno sol envía unos 6 × 10¹⁹ electrones por el circuito cada segundo.
• La pérdida del inversor es un 3 % fijo, y la carga de la casa es de 0,5 kW constantes.

De Bell Labs al tejado

La historia de la célula solar de la American Physical Society comienza en 1839, cuando Edmond Becquerel observó una pequeña corriente entre electrodos metálicos en una disolución bajo la luz. En 1883 Charles Fritts fabricó las primeras células solares de selenio, pero convertían en electricidad menos del 1 % de la luz. En abril de 1954 Daryl Chapin, Calvin Fuller y Gerald Pearson, de Bell Labs, presentaron la primera célula práctica de silicio. Tenía una eficiencia aproximada del 6 %, y la usaron para alimentar una noria de juguete y un transmisor de radio. En pocos años, las células de silicio estaban alimentando satélites. La célula de este modelo funciona con la misma idea que la de 1954, una unión entre silicio de tipo n y de tipo p, con 70 años de mejoras añadidas.

¿Cuánta energía produce al día un panel de 400 W?

Un vatio mide la potencia en un instante; un kilovatio-hora mide la energía acumulada con el tiempo. Una placa de características de 400 W no promete 400 W desde el amanecer hasta el atardecer. Para un ejemplo resuelto, supongamos que un tejado orientado al sur en Seúl recibe 3,5 kWh/m² de luz solar sobre el plano de los paneles durante un día. Es un valor supuesto con fines didácticos, no una media anual medida en Seúl ni una previsión. Al dividirlo por la irradiancia de referencia de 1 kW/m² se obtienen 3,5 horas equivalentes de pleno sol. Estas horas condensan la luz solar cambiante en un total de energía; no son el número de horas que el sol está por encima del horizonte.

Antes de las pérdidas, la estimación es 0,400 kW × 3,5 h = 1,40 kWh. Para otro panel moderno hipotético, supongamos un coeficiente de temperatura de la potencia de −0,35 %/°C. Este coeficiente pertenece a este ejemplo, no al panel de 307 W de la exposición, cuya respuesta es de aproximadamente −0,40 %/°C. Con las células a 45 °C en lugar de los 25 °C de referencia, el factor de temperatura es 1 − 0,0035 × (45 − 25) = 0,93. La estimación pasa a ser 1,40 × 0,93 = 1,302 kWh de energía en corriente continua. Al aplicar la eficiencia supuesta del inversor de la exposición, del 97 %, se obtienen 1,263 kWh de energía en corriente alterna, redondeados a 1,26 kWh.

Este cálculo considera constante la temperatura de las células durante el día e ignora las pérdidas del cableado y la suciedad. En la práctica, la temperatura cambia junto con la irradiancia, por lo que es preferible un cálculo meteorológico por horas. No vuelvas a aplicar la eficiencia del panel: la potencia nominal de 400 W ya incluye la conversión de luz solar en potencia eléctrica. Para una instalación real en Seúl, sustituye 3,5 por una irradiación sobre el plano de los paneles con fecha y ubicación concretas, y utiliza el coeficiente del fabricante. Una medición horizontal de una estación meteorológica no equivale automáticamente a la irradiación sobre un tejado inclinado.

Por qué un tándem necesita más que otro revestimiento

La película antirreflectante azul de esta exposición no es otra célula solar. Reduce la reflexión, pero no recoge una corriente independiente. Un tándem de perovskita y silicio, en cambio, tiene un absorbente fotovoltaico adicional con su propia unión eléctrica. El absorbente superior puede aprovechar los fotones de mayor energía y transmitir la luz de menor energía al silicio que hay debajo. Esto reparte el espectro entre distintas bandas prohibidas y reduce la pérdida por termalización que limita a una sola unión.

El US Department of Energy describe las perovskitas de haluros metálicos como absorbentes de película delgada cuya composición se puede modificar. Su absorción óptica las convierte en compañeras útiles del silicio, pero no basta con apilar capas útiles. En un tándem conectado en serie, ambas subcélulas deben dejar pasar la misma corriente. Una célula superior que absorba demasiada luz necesaria para la inferior puede dejar a esta última con una corriente insuficiente. Los contactos transparentes también tienen que conducir sin desperdiciar mucha luz.

Por tanto, un récord de eficiencia de laboratorio responde a una pregunta más limitada que la de si un producto para tejados está listo. Compara el área iluminada y comprueba si el resultado empleó luz solar concentrada antes de comparar porcentajes. El encapsulado y la estabilidad a largo plazo también importan: el DOE identifica la durabilidad y la ampliación de la fabricación como retos aún pendientes para las perovskitas. El gráfico de células de investigación mide el rendimiento de conversión en condiciones especificadas; no certifica que todas las tecnologías que contiene vayan a mantener ese rendimiento al aire libre durante décadas.

Un panel no se detiene al cumplirse su garantía

Un cielo nublado sigue proporcionando luz difusa, aunque las nubes densas pueden reducir mucho la producción. Los controles de cielo despejado de aquí no pueden reproducir un día cubierto concreto. Reducir «Altura del sol» cambia a la vez la longitud del recorrido atmosférico y el ángulo de incidencia, de modo que no es un control de opacidad de las nubes. Asimismo, «Temperatura de la célula» cambia la respuesta eléctrica, no el tiempo meteorológico. Trátalos como experimentos distintos y no como formas de reproducir una previsión local.

El envejecimiento es distinto de una tarde calurosa. Gran parte de la caída de potencia relacionada con la temperatura se revierte cuando el panel se enfría. La degradación a largo plazo puede implicar daños en el encapsulado o las conexiones eléctricas y no se deshace esperando a que anochezca. El Photovoltaic Lifetime Project del NLR indica que los módulos suelen perder menos del 1 % de rendimiento al año, pero destaca que al principio de su vida es difícil distinguir los cambios lentos de la incertidumbre de medición. No es una tasa garantizada para todos los módulos ni todos los climas.

Solo como ejemplo aritmético, supongamos un factor constante de retención anual de 0,995. Después de 25 años, un panel conserva 0,995^25 ≈ 0,882, o el 88,2 %, de su potencia inicial en las mismas condiciones de ensayo. El envejecimiento real no tiene por qué seguir esa curva, y una avería repentina de un componente es distinta de una degradación gradual. Una garantía de rendimiento establece condiciones contractuales; no es un temporizador que apaga el silicio. Sustituir un inversor tampoco implica necesariamente sustituir todos los paneles.

Tres comparaciones en pantalla

Primero ajusta «Altura del sol» a 60°, «Inclinación del panel» a 30°, «Temperatura de la célula» a 25 °C y «Hoja sobre una célula» a 0 %. Mantén activados los «Diodos de derivación». El panel recibe el haz perpendicularmente. Cambia solo «Inclinación del panel» a 0° y compara la potencia del módulo. La altura del sol no ha cambiado, por lo que la atmósfera no se ha vuelto más gruesa; la diferencia procede principalmente de la orientación del panel. Para la comparación invernal, usa una altura del sol de 29° y una inclinación del panel de 61°, el óptimo geométrico, con el que el haz llega perpendicularmente al panel.

Después restablece los ángulos iniciales y compara «Temperatura de la célula» a 25 °C y 65 °C. Observa cómo la curva de potencia frente a tensión se desplaza hacia una tensión menor. Por último, restablece 25 °C, cubre toda la célula con «Hoja sobre una célula» y desactiva y activa los «Diodos de derivación». Compara tanto «Calor en célula sombreada» como la potencia del módulo: recuperar producción útil no significa que la célula sombreada se enfríe. Con cobertura parcial, repite la comparación al 30 %. Estos controles muestran por qué la protección mediante derivación reduce un riesgo sin hacer inofensiva cualquier sombra.

Dos colinas en la curva de potencia

Abre el «Banco I-V» en la pestaña «Controles» y el panel se ensaya como lo haría un laboratorio. La línea negra representa la corriente frente a la tensión. Sin nada conectado, el panel se sitúa en su tensión de circuito abierto, 40,8 V a pleno sol y 25 °C, y no circula corriente. Si cortocircuitas los dos cables, la corriente es de 9,8 A a 0 V. Ninguno de los extremos entrega potencia, porque la potencia es la tensión multiplicada por la corriente y una de ellas es cero. La línea naranja es ese producto. Sube desde cero, alcanza un máximo de 307 W a 33,1 V y luego cae bruscamente hasta cero otra vez a 40,8 V. Ese máximo es el punto de máxima potencia. El factor de forma lo compara con el rectángulo de 40,8 V × 9,8 A: 307 ÷ 400 ≈ 0,77, que PVEducation describe como la medida de lo cuadrada que es la curva corriente-tensión.

El inversor no sabe dónde está el máximo. Tiene que encontrarlo haciendo pruebas. El método más sencillo se llama perturbación y observación: cambia un poco la tensión, comprueba si la potencia subió, sigue en esa dirección si lo hizo y da la vuelta si no. En el banco, el seguidor comienza justo por debajo de la tensión de circuito abierto, como hacen muchos inversores por la mañana, y avanza cada vez un 1,2 % de esa tensión. En un panel limpio sube la única colina y luego oscila de un lado a otro en la cima.

Una hoja cambia la forma de la colina. Cubre el 60 % de una célula y su grupo de 20 ya no podrá transportar toda la corriente. Por debajo de unos 3,9 A, la célula sombreada aún puede seguir el ritmo, por lo que la parte derecha de la curva apenas cambia. Por encima, la célula sombreada queda polarizada en inversa hasta que se activa el diodo de derivación de su grupo, y desde ese momento el panel funciona con dos tercios de sus células. La curva de potencia deja de ser una sola colina. Si se llega desde la derecha, el primer máximo es de 151 W a 38,7 V; el más alto es de 200 W a 21,6 V a la izquierda. Un seguidor que empieza por la derecha sube al primer máximo que encuentra y se detiene allí, porque cualquier pequeño paso que se aleje de los 151 W hace bajar la potencia. Pulsa «Barrido completo» y el banco prueba todas las tensiones de 0 a 40,8 V; después lleva al seguidor a la colina más alta. La página de PVEducation sobre los efectos del desajuste explica la causa: en células conectadas en serie, la de menor producción limita a todas las demás.

Cambia el banco a la cadena de diez paneles y la misma hoja apenas se nota. Un grupo derivado de 20 células es 1 parte de 30 en las 600 células de la cadena, así que esta sigue teniendo una sola colina de unos 2,96 kW. El modelo solo puede sombrear una célula; en un tejado real, varios paneles sombreados en distinta medida pueden dar varias colinas a una cadena.

La vista «Una célula» representa la densidad de corriente en miliamperios por centímetro cuadrado, la unidad en que se presentan los resultados de las células de investigación. La célula del modelo da 39,9 mA/cm² en cortocircuito (9,8 A repartidos sobre 245,7 cm²). Abre una célula récord en el catálogo y su propia curva se dibujará en gris junto a la del modelo, con una forma derivada de la tensión de circuito abierto, la densidad de corriente y el factor de forma de la tabla de datos del NLR.

Dónde está el sol: las ecuaciones de NOAA

El deslizador «Altura del sol» mantiene el sol en su arco del mediodía, exactamente al sur. La pestaña «Sol y día», en cambio, lo sitúa donde está realmente para un lugar, una fecha y una hora elegidos, usando las mismas ecuaciones que la calculadora solar del NOAA Global Monitoring Laboratory, basadas en Astronomical Algorithms, de Jean Meeus.

El cálculo comienza con la fecha. Se transforma en un día juliano y luego en siglos julianos desde el mediodía del 1 de enero de 2000. De ahí se obtienen la longitud media y la anomalía media del sol, la ecuación del centro (la corrección por la órbita elíptica de la Tierra), la longitud aparente del sol y la inclinación del eje terrestre, actualmente de 23,44°. La declinación, cuánto se sitúa el sol al norte o al sur del ecuador, se obtiene a partir de esos dos ángulos. El 21 de diciembre de 2026 es de −23,44°.

La ecuación del tiempo es la diferencia entre un reloj de sol y un reloj. El 21 de diciembre es de +2,1 minutos: el sol va dos minutos por delante del promedio del reloj. Además, Seúl está a 127° este, 8° al oeste del meridiano de 135° que usa su huso horario, y cada grado de longitud equivale a cuatro minutos de tiempo. En conjunto, el sol cruza el meridiano en Seúl a las 12:30, no a las 12:00. A las 12:00 del reloj, el ángulo horario aún está 7,5° al este, el sol se encuentra a 28,6° sobre el horizonte y su acimut es de 172,2°, 8° al este del sur exacto. El último paso de NOAA añade la refracción de la luz en la atmósfera, unas centésimas de grado a esa altura y alrededor de medio grado en el horizonte. El amanecer y el atardecer son los momentos en que el centro del sol está 0,833° por debajo del horizonte, lo que da las 07:43 y las 17:17 para Seúl ese día.

La versión de estas ecuaciones de la exposición se contrastó con el propio código de la página de NOAA para seis lugares y horas, desde Seúl hasta Tromsø y Sídney: las alturas y los acimuts coinciden con un error inferior a una diezmilésima de grado.

Un día entero despejado

Conocida la posición del sol para cada minuto, la energía de un día es una suma. Cada cinco minutos, la exposición calcula el haz directo para esa altura del sol (con la misma fórmula de masa de aire anterior), el ángulo entre el haz y el panel, incluyendo ahora la diferencia de acimut, añade un 10 % de luz difusa y encuentra la potencia máxima del panel. El gráfico de la pestaña «Sol y día» dibuja el resultado de medianoche a medianoche, y el área bajo él es la energía del día.

El 21 de diciembre en Seúl, un panel inclinado 33° y orientado al sur produce 1,36 kWh en un día despejado, y el conjunto de diez paneles entrega 13,2 kWh después del inversor. Plano sobre el tejado, el mismo panel produce 0,76 kWh. La mejor inclinación para ese día concreto es de 62°, casi perpendicular al bajo sol invernal, y proporciona 1,55 kWh. El 21 de junio la situación se invierte: el sol sube hasta 76°, un panel a 30° produce 2,37 kWh y la mejor inclinación para ese día es de solo 2°. Una instalación fija debe elegir una inclinación para todo el año, por lo que acaba en algún punto entre esos dos extremos.

Mueve el deslizador «Orientación de paneles» y el conjunto girará sobre el tejado. Con una inclinación de 30°, un conjunto orientado al este en Seúl produce el 54 % de la energía de uno orientado al sur el 21 de diciembre, pero en junio produce tanto como el orientado al sur, porque el sol estival sale por el noreste y pasa la mañana delante de él.

Muy al norte, el día cambia por completo. En Tromsø, a 69,65° norte, el sol permanece bajo el horizonte todo el día el 21 de diciembre y el conjunto no produce nada. El 21 de junio nunca se pone: a medianoche del reloj local con horario de verano sigue estando 3,7° sobre el horizonte norte, y un panel orientado al sur produce 2,58 kWh, algo más que en Seúl, porque el sol está sobre el horizonte durante 24 horas.

Seis formas de construir una célula de silicio

El corte de la derecha se dibujó como la célula clásica: una oblea de tipo p, un emisor dopado con fósforo arriba y aluminio cocido sobre toda la parte posterior, que deja una capa fuertemente dopada llamada campo de superficie posterior. El US Department of Energy señala que estas células con campo de superficie posterior de aluminio (Al-BSF) dominaron el mercado hasta aproximadamente 2018, cuando las superaron los diseños PERC, y que se está produciendo otro cambio hacia células de tipo n, como las de heterounión de silicio y TOPCon. La pestaña «Secciones» reconstruye el corte para cada diseño.

PERC (célula de emisor y cara posterior pasivados) incorpora una fina capa dieléctrica de óxido de aluminio y nitruro de silicio en la parte posterior. Las superficies de silicio desnudo son lugares donde los electrones y los huecos se encuentran y se pierden; el dieléctrico las pasiva. Ahora el aluminio solo llega al silicio a través de pequeñas aberturas.

TOPCon (contacto pasivado por óxido de túnel) va más allá en la parte posterior. Fraunhofer ISE, donde se desarrolló el contacto, lo describe como un óxido de túnel ultrafino bajo una capa delgada de silicio dopado; en células industriales, el óxido suele tener entre 1 y 2 nm de espesor y el polisilicio unos 80 nm. El óxido es lo bastante delgado para dejar pasar por efecto túnel a los portadores mayoritarios, aquí electrones, mientras mantiene a los otros portadores alejados del metal. La oblea es de tipo n y el emisor frontal se forma por difusión de boro, por lo que las funciones de las capas se intercambian: en el corte, los huecos van ahora a los dedos frontales y los electrones a la parte posterior.

Las células de heterounión recubren ambas caras de una oblea de tipo n con capas muy finas de silicio amorfo, una sin dopar junto a la oblea y otra dopada por fuera, y después con un óxido conductor transparente como el óxido de indio y estaño. Forschungszentrum Jülich enumera solo cuatro pasos de fabricación y señala que las capas amorfas deben mantenerse por debajo de unos 200 °C, de modo que la pasta de plata se cura a esa temperatura en lugar de cocerse. Sus células de heterounión pierden menos del 0,3 % de potencia por cada grado de calentamiento, frente a aproximadamente el 0,4 % de la célula de este modelo.

Las células de contacto posterior (IBC, contacto posterior interdigitado) trasladan todo el metal a la parte posterior. Bajo la oblea se alternan franjas de silicio n+ y p+, cada una con su propio contacto, por lo que la cara frontal no tiene dedos que le hagan sombra. El US Department of Energy las describe como más difíciles de fabricar. Las mejores células de silicio de la tabla del NLR, del 28,1 %, combinan esta disposición con capas de heterounión.

La perovskita sobre silicio apila una segunda célula encima. La perovskita absorbe la luz azul y verde y proporciona una tensión mayor por cada fotón; la luz roja y del infrarrojo cercano atraviesa la capa y llega al silicio inferior. Ambas células están unidas por una fina capa de recombinación y transportan la misma corriente. En el corte, la perovskita es la banda marrón oscura entre sus capas de transporte.

El corte exagera todas las capas. El óxido de túnel de una célula TOPCon real tiene aproximadamente una cienmilésima del espesor de la oblea.

Cómo leer la tabla de eficiencia

El catálogo enumera la mejor célula de cada tipo en la tabla de datos del NLR (anteriormente NREL), una entrada por cada fila del gráfico de eficiencia. Cada registro indica la eficiencia, el mes en que se midió, el grupo que fabricó la célula y, en la mayoría de los casos, el centro de ensayo independiente que la confirmó (ISFH, NREL, Fraunhofer ISE, JRC-ESTI y otros). El producto de la tensión de circuito abierto, la densidad de corriente de cortocircuito y el factor de forma da la eficiencia: bajo la luz estándar de 100 mW/cm², la eficiencia en porcentaje equivale a Voc × Jsc × FF. En 19 de los 27 registros, la tabla proporciona los tres valores, y en 18 de ellos el producto coincide con la eficiencia indicada con una diferencia inferior al 2 %. Solo estos reciben una curva en el «Banco I-V».

Las áreas cuentan su propia historia. La mejor célula de perovskita, del 28,0 %, medía 0,051 cm², unos pocos milímetros de lado a lado. La mejor célula TOPCon, del 26,68 %, era una oblea completa de 350 cm². Los récords de concentración se miden bajo muchos soles: la célula de cuatro uniones del 47,6 % de Fraunhofer ISE funcionaba bajo una luz 665 veces más intensa que la luz solar, en una célula de 0,0452 cm². El 18,8 % del panel del modelo corresponde a un módulo completo, con marco, espacios y cintas, bajo luz solar corriente.

Células solares en el espacio y en el desierto

Las células solares llegaron al espacio antes que a los tejados. Vanguard 1, lanzado el 17 de marzo de 1958, fue el primer satélite alimentado por energía solar, y NASA señala que sigue siendo el objeto de fabricación humana más antiguo en órbita. La Estación Espacial Internacional lleva 262 400 células sobre unos 2500 m² de conjuntos solares; los cuatro grupos de conjuntos proporcionan entre 84 y 120 kW, y mientras la estación recibe luz solar, alrededor del 60 % se dedica a cargar las baterías para la parte oscura de cada órbita.

Más lejos del Sol, la luz se debilita. Júpiter está unas cinco veces más lejos que la Tierra, de modo que su luz solar es unas 25 veces más débil. Los tres conjuntos de 9 m de Juno llevan 18 698 células y producirían unos 14 kW a la distancia de la Tierra; en Júpiter, el dossier de prensa de NASA indica unos 400 W. En Marte, los conjuntos de InSight producían unos 5000 Wh por día marciano tras el aterrizaje de 2018; para la primavera de 2022, el polvo había reducido esa cifra a unos 500 Wh.

En tierra, las mayores centrales se miden en gigavatios. Al Dhafra, a unos 35 km de Abu Dabi, utiliza casi 4 millones de paneles cristalinos bifaciales; su operador EWEC indica 1,5 GW de capacidad en corriente alterna y el promotor Masdar, 2 GW. Noor Abu Dhabi, en Sweihan, tiene unos 3,2 millones de paneles en 7,8 km². Al abrir cualquiera de ellas en el catálogo, la pestaña «Sol y día» se traslada a Abu Dabi, donde el sol del mediodía invernal está a 42° de altura el 21 de diciembre.