Energia solar fotovoltaica

El terme fotovoltaic prové de la paraula grega φῶς (phōs, que significa "llum") i "volt", la unitat de força electromotriu (denominada així en honor d'Alessandro Volta, l'inventor de la pila electroquímica).

L'efecte fotovoltaic es va reconèixer per primera vegada el 1839 pel físic [francès Antoine Henri Becquerel.^[4] Tanmateix, no va ser fins a l'any 1883 que va ser construïda la primera cèl·lula solar per Charles Fritts amb una eficiència d'un 1%. Durant la primera meitat del segle xx diverses van ser les millores per augmentar-ne l'eficiència. El 1946, Russel Ohl va patentar la moderna unió entre els materials semiconductors que actualment es fa servir. L'avanç tecnològic més important va arribar l'any 1954 quan els Laboratoris Bell, experimentant amb semiconductors, van desenvolupar la primera cèl·lula fotovoltaica de silici, amb un rendiment de 4,5%.

Les plaques solars es divideixen en dues grans famílies: les cristal·lines amb silici cristal·litzat, i les amorfes, amb silici no cristal·litzat. A la vegada les cristal·lines es divideixen entre les monocristal·lines, amb un sol cristall de silici i les policristal·lines, amb més d'un cristall de silici. Les cèl·lules fotovoltaiques més utilitzades en l'actualitat són les de silici monocristal·lí. L'evolució tecnològica de les plaques solars es distingeix de moment en quatre generacions.

Primera generació La primera generació de cèl·lules fotovoltaiques consistien en una gran superfície de vidre simple. Una simple capa amb unió díode, capaç de generar energia elèctrica a partir de fonts de llum amb longituds d'ona similars a les que arriben a la superfície de la Terra provinents del Sol. Aquestes cèl·lules estan fabricades, normalment, en un procés de difusió amb hòsties de silici. Aquesta primera generació és, actualment, la tecnologia dominant en la producció comercial i constitueixen, aproximadament, el 86% del mercat de cèl·lules solars terrestres.

Segona generació La segona generació de materials fotovoltaics estan basats en capes molt fines (poc micròmetres) de materials semiconductors.^[5] Es basen en l'ús de dipòsits epitaxials dp molt prims de semiconductors amb concentradors. Hi ha dos tipus de cèl·lules fotovoltaiques epitaxials: les espacials i les terrestres. Les cèl·lules espacials, normalment, tenen eficiències més altes (28-30%), però tenen un cost per vat més alt. En les terrestres la pel·lícula prima s'ha desenvolupat usant processos de baix cost, però tenen una eficiència més baixa (7-9%),, i, per raons evidents, es qüestionen per a aplicacions espacials.

Tercera generació

La tercera generació de cèl·lules fotovoltaiques, que s'estan proposant en l'actualitat, són molt diferents dels dispositius semiconductors de les generacions anteriors, ja que realment no presenten la tradicional unió per separar els portadors de càrrega fotogenerados. Actualment es troben en fase d'investigació dispositius que inclouen cèl·lules fotoelectroquímiques, cèl·lules solars de polímers, cèl·lules solars de nanocristalls i cèl·lules solars de tintes sensibilitzades

Quarta generació

Una hipotètica quarta generació de cèl·lules solars consistiria en una tecnologia fotovoltaica composta en què es barregen, nanopartícules amb polímers per fabricar una capa simple multiespectral, és a dir, que aconseguís absorbir moltes freqüències d'ona. Posteriorment, diverses capes primes multiespectrals es podrien apilar per fabricar les cèl·lules solars multiespectrals definitives. La primera capa és la que converteix els diferents tipus de llum, la segona és per a la conversió d'energia i la darrera és una capa per l'espectre infraroig. D'aquesta manera es converteix part de la calor en energia aprofitable.

L'acoblament en sèrie de diversos d'aquests díodes òptics permet l'obtenció de voltatges majors en configuracions molt senzilles, i aptes per a petits dispositius electrònics. A major escala, el corrent elèctric continu que proporcionen les plaques fotovoltaiques es pot transformar en corrent altern i injectar en xarxa, operació que és poc rendible econòmicament i que precisa encara de subvencions per a la seva viabilitat. En entorns aïllats, on es requereix poc corrent elèctric i l'accés a la xarxa està penalitzat econòmicament per la distància, com refugis de muntanya, estacions meteorològiques o de comunicacions, s'empren les plaques fotovoltaiques com a alternativa econòmicament viable.

Les cèl·lules fotoelèctriques són el principal component de la placa fotovoltaica. Són uns dispositius semiconductors que en rebre radiació solar s'exciten, provoquen salts electrònics i una petita diferència de potencial tipus díode en els seus extrems (corrent elèctric).^[6]

La radiació solar que arriba a la superfície terrestre és de 122 PW de potència; quasi 10.000 vegades el consum total d'energia elèctrica a la terra durant l'any 2005.^[7] Aquesta abundància energètica fa preveure que podria esdevenir la font principal d'energia primària utilitzada per la humanitat.^[8] A més a més la generació d'electricitat fotovoltaica és l'energia renovable amb una major densitat d'energia, amb una mitjana de 170 W/m².^[7]

Tot i la contaminació produïda al moment de la fabricació dels panells, la mateixa producció d'energia no produeix cap pol·lució. Així mateix al final del cicle de vida dels panells se'n pot fer una gestió dels residus i actualment es troben en desenvolupament tecnologies de reciclatge dels materials,^[9] així com polítiques que incentiven el reciclatge per part dels fabricants d'aquesta tecnologia.^[10]

Les instal·lacions fotovoltaiques tenen una vida útil de fins estimada a uns trenta anys, amb un màxim de quaranta.^[11] A més un cop realitzada la instal·lació tenen uns costos operatius i de manteniment molt baixos comparats amb altres tecnologies de generació d'electricitat. Un estudi de l'International Renewable Energy Agency (IRENA) estima que el volum de residus va créixer de 0,43 milió de tones el 2016 a ± 6 milions de tones per any el 2050.^[12] IRENA és optimista en constatar que el creixement és previsible i es poden desenvolupar tècniques industrials d'urban mining eficients: un mercat estimat a crear un valor de 15.000 milions de dòlars (llocs de treball i primeres matèries).^[13] Queda prou temps per preparar-se, com que la primera gran ona de residus arribarà només des de 2030, per l'obsolescència de les instal·lacions de la fi del segle xx.^[14]

Tot i emprar una font d'energia renovable la tecnologia té impactes ambientals. Hi ha l'impacte durant la producció de les plaques (amb l'ús de minerals i productes químics contaminants). Hi pot hi haver impactes directes per l'ús del sòl. Tot i això, hi ha molts solars (pàrquings, teulades… que poden servir. L'agrivoltaica, o la compaginació de conreu i generació d'electricitat desenvolupa mètodes per reforçar mútuament, com quan les plaques protegeixen els camps contra les pedregades, el gel, les cremades solars i l'evaporació ràpida de l'aigua del reg i milloren el rendiment.^[15]

A la fi de la vida útil se'ls ha de reciclar.^[16] Els panells són compostos per un 85% de vidre, 4% de plàstic, 6% d’alumini, 1% de metall, 4% de silici. El 2021 se'n pot reciclar més del 95% de les matèries.^[17] S'hi aplica la directiva europea sobre els residus d'aparells elèctrics i electrònics (RAEE).^[18]

Els principals impactes són els mateixos de qualsevol activitat industrial. Les primeres matèries són variades: silici (cristal·litzat i amorf), germani, seleni, arsenur de gal·li, selenurs de coure (SeCu i Se₂CuGa), sulfurs diversos i òxids de coure entre d'altres. En la fabricació d'aquests materials es produeixen emissions de TeCd, B₂H₆, BCl₃, H2, HF, SeH₂, SH₂, CH₄, PH₃, POCl₃, P₂O₅, FH₃, F₄Si, P₂Zn₃, entre d'altres i vapors metàl·lics, alguns tòxics.^{[cal citació]} S'estima que per a la producció de sulfur de cadmi, per cèl·lules que produïssin 100.000 MW/any s'obtindrien unes emissions aproximades de 34 tona mètrica/any.^{[cal citació]}

Per altra banda, s'ha de fondre i fer-lo créixer per a formar un monocristall, etapa en la qual s'inverteix molt temps i molta energia.^{[cal citació]} La proporció «pes per potència» continua millorant: si el 1980 una instal·lació d'una potència d'un kW pesava 160 kg, el 2019 ja n'hi ha prou amb 60 kg i aquest continua baixant. El volum de residus per potència minva igualment.^[19] La tecnologia progressa i reeix reduir progressivament components cars o tòxics.^[20] Si el reciclatge de material obsolet costa energia, l'impacte mediambiental alhora es redueix nogensmenys considerablement si es fa energia neta.

Depenent de la construcció, els mòduls fotovoltaics produeixen electricitat a partir d'una gamma concreta de freqüències de la llum, però en general no encara no cobreixen la llum ultraviolada, infraroja i baixa o difusa. Per tant, gran part de l'energia de la llum solar incident no s'aprofita pels mòduls solars, que podrien donar eficiències molt superiors si s'il·luminessin amb llum monocromàtica.

Un altre concepte de disseny és la de dividir la llum en diferents longituds d'ona i dirigir els feixos en diferents cèl·lules sintonitzades en aquests rangs. ^{[cal citació]} Això ha estat projectat per a ser capaç d'elevar l'eficiència en un 50%. Científics de Spectrolab, una filial de Boeing, prediuen el desenvolupament de cèl·lules solars multi-unió amb una eficiència de més del 40%, un nou rècord mundial de cèl·lules solars fotovoltaiques^[21] Les centració podrien arribar eficiències de més de 4a una 5% o finsa tot 50% en el futur, amb eficiències teòriques del voltant del 58% en les cèl·lules amb més de tres unions.

L'eficiència continua augmentant. Dels 4,5% de la primera cèl·lula desenvolupada pels Laboratoris Bell el 1954,^[22] Hoffman Electric va aconseguir un 14% el 1960, el 2016 el National Renewable Energy Laboratory i el Swiss Center for Electronics and Microtechnology va atènyer fins a 29,8% el 2017.^[23]

Entre els anys 2001 i 2014 s'ha produït un increment exponencial de la producció d'energia fotovoltaica, que es dobla aproximadament cada dos anys.^[24] La potència total instal·lada al món (amb connexió a la xarxa elèctrica) arribava a 7,6 GW el 2007, 16 GW el 2008, 23 GW el 2009, 40 GW el 2010, 70 GW el 2011 i 100 GW el 2012.^[25][26][27] De 140 de GW de potència el 2013 al món,^[28] va passar a 600 GW el 2019 i es pronostica que atenyerà entre 1400 i 1600 GW el 2023^[3] i l'any 2050 seran uns 4500GW.

A Catalunya, el Parc solar Ramon Escriche a Flix és el més gran del món emprant tecnologia de cèl·lules fotovoltaiques de triple unió.^[29] El 2013 la potència instal·lada hi era de 264,9 MW, només 2% de la potència total,^[30] el 2018 havia pujat cap a 390,3 MW. A les Illes Balears la producció era de poc menys de 3% el 2018 que hauria de créixer cap a 10% del consum gràcies a una vintena de noves instal·lacions, després de deu anys d'estancament.^[31]

Plantes fotovoltaiques amb connexió a la xarxa^{[Cal actualitzar]}

Tant a Europa com a la resta del món s'han construït nombroses centrals fotovoltaiques de gran escala.^[32] A data d'abril de 2014 les plantes fotovoltaiques més grans del món eren, segons la seva capacitat de producció:^[32]

Projecte	País	Potència	Any
Longyangxia Hydro-solar PV Station	Xina	320 MW	2013
California Valley Solar Ranch	Estats Units	250 MW	2013
Agua Caliente Solar Project	Estats Units	250 MW	2012
Charanka Solar Park	Índia	214 MW	2012
Gonghe Industrial Park Phase I	Xina	200 MW	2013
Golmud Solar Park	Xina	200 MW	2011
Centinela Solar	Estats Units	170 MW	2014
Solarpark Meuro	Alemanya	166 MW	2011-2012
Mesquite Solar I	Estats Units	150 MW	2011-2012
Solarpark Neuhardenberg	Alemanya	145 MW	2012
Catelina Solar Project	Estats Units	143 MW	2013
Campo Verde Solar Project	Estats Units	139 MW	2013
Solarpark Templin	Alemanya	128 MW	2012
Arlington Valley Solar Energy II	Estats Units	125 MW	2013
Centrale solaire de Toul-Rosières	França	115 MW	2012
Perovo Solar Park	Ucraïna	105 MW	2011
Chengde PV Project	Xina	100 MW	2013
Jiayuguan PV power plant	Xina	100 MW	2013

El desenvolupament de l'energia solar fotovoltaica al món

Potència total instal·lada (MWp) per país^{[33][34][35][36][37][38][39][40][41]}

País	Total 2002	Total 2003	Total 2004	Total 2005	Total 2006	Total 2007	Total 2008	Total 2009	Total 2010	Total 2011	Total 2012	Total 2013	Total 2014	Total 2015	Total 2016	Total 2017	Total 2018	Total 2019	Total 2020
Total mundial	2220	2798	3911	5340	6915	9443	15.772	23.210	39.778	73.745	104.015	139.523	176.089	222.213	296.155	389.411	488.739	587.134	713.970
Xina	-	-	-	-	-	-	-	-	893	3.108	6.719	17.759	28.399	43.549	77.809	130.822	175.287	204.996	254.355
Estats Units	212,2	275,2	376	479	624	830,5	1168,5	1255,7	2519	5.644	8.613	13.045	17.651	23.442	34.716	43.115	53.184	60.682	75.572
Japó	636,8	859,6	1132	1421,9	1708,5	1918,9	2144	2627	3617	4.890	6.430	12.107	19.334	28.615	38.438	44.226	55.500	61.526	67.000
Alemanya	278	431	1034	1926	2759	3835,5	5340	9959	17.320	25.916	34.077	36.710	37.900	39.224	40.679	42.293	45.158	49.047	53.783
Índia	-	-	-	-	-	-	-	-	189	566	982	1.499	3.673	5.593	9.879	18.152	27.353	35.089	39.211
Itàlia	22	26	30,7	37,5	50	120,2	458,3	1157	3502	13.136	16.790	18.190	18.600	18.907	19.289	19.688	20.114	20.871	21.600
Austràlia	39,1	45,6	52,3	60,6	70,3	82,5	104,5	183,6	504	2.473	3.799	4.568	5.287	5.946	6.689	7.354	8.627	13.252	17.627
Vietnam	-	-	-	-	-	-	-	-	-	5	5	5	5	5	5	8	105	4.898	16.504
Corea del Sud	5,4	6	8,5	13,5	35,8	81,2	357,5	441,9	662	730	1.024	1.555	2.481	3.615	4.502	5.835	7.130	10.505	14.575
Espanya	7	12	23	48	145	693	3354	3438	3892	5.432	6.569	6.994	7.001	7.008	7.017	7.027	7.068	11.277	14.089
Regne Unit	4,1	5,9	8,2	10,9	14,3	18,1	22,5	29,6	72	1.000	1.753	2.937	5.528	9.601	11.914	12.760	13.073	13.346	13.563
França	17,2	21,1	26	33	43,9	75,2	179,7	335,2	1025	3.004	4.359	5.277	6.034	7.138	7.702	8.610	9.691	10.804	11.733
Països Baixos	26,3	45,7	49,2	50,7	52,2	52,8	57,2	67,5	97	149	287	650	1.007	1.526	2.135	2.911	4.608	7.177	10.213
Brasil	-	-	-	-	-	-	-	-	2	2	3	8	20	41	148	1.296	2.470	4.615	7.881
Ucraïna	-	-	-	-	-	-	-	-	3	188	372	748	819	841	955	1.200	2.003	5.936	7.331
Turquia	0,9	1,3	1,8	2,3	2,8	3,3	4	5	6	7	12	19	41	250	834	3.422	5.064	5.996	6.668
Sud-àfrica	-	-	-	-	-	-	-	-	40	6	11	262	1.163	1.352	2.174	3.447	4.801	4.905	5.990
Taiwan	-	-	-	-	-	-	-	-	32	130	231	410	636	884	1.245	1.768	2.738	4.150	5.817
Bèlgica	-	-	-	-	-	-	-	574	803	1.979	2.647	2.902	3.015	3.132	3.329	3.621	4.000	4.637	5.646
Mèxic	16,2	17,1	18,2	18,7	19,7	20,8	21,8	25	31	39	60	82	116	173	389	674	2.555	4.440	5.644
Polònia	-	-	-	-	-	-	-	-	-	1	1	2	27	108	187	287	562	1.539	3.936
Canadà	10	11,8	13,9	16,7	20,5	25,8	32,7	94,6	200	497	766	1.210	1.843	2.517	2.661	2.913	3.100	3.310	3.325
Grècia	-	-	-	-	-	-	-	55	206	612	1.536	2.579	2.596	2.604	2.604	2.606	2.652	2.834	3.247
Xile	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	2	15	221	576	1.125	1.809	2.236	2.654	3.205
Suïssa	19,5	21	23,1	27,1	29,7	36,2	47,9	73,6	111	223	437	756	1.061	1.394	1.664	1.906	2.203	2.589	3.118
Tailàndia	-	-	-	-	-	-	-	-	28	79	382	829	1.304	1.425	2.451	2.702	2.967	2.988	2.988
Emirats Àrabs Units	-	-	-	-	-	-	-	-	-	13	13	126	133	134	141	355	598	1.918	2.539
Àustria	10,3	16,8	21,1	24	25,6	27,7	32,4	52,6	103	174	337	626	785	937	1.096	1.269	1.455	1.702	2.220
Txèquia	-	-	-	-	-	-	-	463,3	1953	1.913	2.022	2.064	2.067	2.075	2.068	2.070	2.075	2.086	2.073
Hongria	-	-	-	-	-	-	-	-	-	4	12	35	89	172	235	344	728	1.400	1.953
Egipte	-	-	-	-	-	-	-	-	-	35	35	35	35	45	59	180	765	1.662	1.694
Malàisia	-	-	-	-	5,5	7	9	11	15	1	25	97	166	229	279	370	536	882	1.493
Israel	-	-	0,9	1	1,3	1,8	3	24,5	66	196	243	426	676	772	872	975	1.076	1.438	1.439
Rússia	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	1	5	61	76	225	535	1.064	1.428
Suècia	3,3	3,6	3,9	4,2	4,8	6,2	7,9	9	11	12	24	43	60	104	153	244	428	714	1.417
Romania	-	-	-	-	-	-	-	-	-	1	41	761	1.293	1.326	1.372	1.374	1.386	1.398	1.387
Jordània	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	6	296	406	809	1.101	1.359
Dinamarca	1,6	1,9	2,3	2,7	2,9	3,1	3,3	4,6	7,1	17	402	571	607	782	851	906	998	1.080	1.300
Bulgària	-	-	-	-	-	-	-	5,7	18	154	1.013	1.020	1.026	1.029	1.028	1.036	1.033	1.048	1.073
Filipines	-	-	-	-	-	-	-	-	-	2	2	3	28	173	784	908	914	973	1.048
Portugal	1,7	2,1	2,7	3	3,4	17,9	68	102,2	131	172	238	296	415	447	513	579	667	901	1.025
Argentina	-	-	-	-	-	-	-	-	1,2	1	6	8	8	9	9	9	191	442	764
Pakistan	-	-	-	-	-	-	-	-	-	19	46	101	165	266	589	655	679	713	737
Marroc	-	-	-	-	-	-	-	-	-	34	35	35	40	200	202	204	734	734	734
Eslovàquia	-	-	-	-	-	-	-	0,2	145	496	513	533	533	533	533	528	472	590	593
Hondures	-	-	-	-	-	-	-	-	-	4	5	5	5	393	414	454	514	514	514
Algèria	-	-	-	-	-	-	-	-	-	25	25	25	26	74	244	425	448	448	448
El Salvador	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	13	15	26	28	126	206	391	429
Iran	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	1	9	9	43	184	286	367	414
Arabia Saudita	-	-	-	-	-	-	-	-	-	3	14	22	24	24	24	34	84	409	409
Finlàndia	-	-	-	-	-	-	-	5	7	7	8	9	11	17	39	82	140	222	391
República Dominicana	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	2	8	15	25	73	106	205	305	370
Perú	-	-	-	-	-	-	-	-	-	18	103	109	134	139	146	298	325	331	331
Singapur	-	-	-	-	-	-	-	-	-	5	8	12	25	46	97	116	160	272	329
Bangladesh	-	-	-	-	-	-	-	-	-	43	66	94	119	145	161	185	201	255	301
Eslovènia	-	-	-	-	-	-	-	9	36	57	142	187	223	238	233	247	247	264	267
Uruguai	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	1	2	4	65	89	243	248	254	256
Xipre	-	-	-	-	-	-	-	3,3	6,2	10	17	35	65						200
Panamà	-	-	-	-	-	-	-												198
Luxemburg	-	-	-	-	-	-	-	27	27	30	76	100	110	120					195
Malta	-	-	-	-	-	-	-	2	2	11,5	18	25	54						184
Cuba	-	-	-	-	-	-	-	s.d.	s.d.	s.d.	s.d.	s.d.	s.d.	s.d.	s.d.	65			163
Noruega	6,4	6,6	6,9	7,3	7,7	8	8,3	9	9	10	10	s.d.	13						152
Lituània	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	6	68	68						148
Bolívia	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-									120
Colòmbia	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-									107
Guatemala	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-							101
Croàcia	-	-	-	0,5	1,2	3,2	5,6	12,1	16,4	16,4	21,7	24,7	33						85
Equador	-	-	-	-	-	-	-	s.d.	s.d.	s.d.	s.d.	s.d.	26						28