La fotovoltaica (PV) es un término que abarca la conversión de la luz en electricidad utilizando materiales semiconductores que exhiben el efecto fotovoltaico, un fenómeno estudiado en física, fotoquímica y electroquímica.

Un sistema fotovoltaico típico emplea paneles solares, cada uno compuesto por varias células solares, que generan energía eléctrica. Las instalaciones FV pueden montarse en el suelo, en la azotea o en la pared. La montura puede ser fija, o usa un rastreador solar para seguir el sol en el cielo.

La energía solar fotovoltaica tiene ventajas específicas como fuente de energía: una vez instalado, su operación no genera contaminación y no produce emisiones de gases de efecto invernadero, muestra una escalabilidad simple con respecto a las necesidades de energía y el silicio tiene una gran disponibilidad en la corteza terrestre.

Los sistemas fotovoltaicos tienen la gran desventaja de que la salida de potencia funciona mejor con la luz solar directa, por lo que se pierde alrededor del 10-25% si no se utiliza un sistema de seguimiento. El polvo, las nubes y otras obstrucciones en la atmósfera también disminuyen la producción de potencia. Otra cuestión importante es la concentración de la producción en las horas correspondientes a la insolación principal, que normalmente no coinciden con los picos de demanda en los ciclos de actividad humana. A menos que los patrones societales actuales de consumo y las redes eléctricas se ajusten a este escenario, la electricidad aún necesita ser almacenada para un uso posterior o compensada por otras fuentes de energía, generalmente hidrocarburos.

Los sistemas fotovoltaicos se han utilizado durante mucho tiempo en aplicaciones especializadas, y los sistemas fotovoltaicos independientes y conectados a la red se han utilizado desde la década de 1990. Primero se produjeron en masa en 2000, cuando los ambientalistas alemanes y la organización Eurosolar obtuvieron fondos del gobierno para un programa de techos de diez mil.

Los avances en la tecnología y el aumento de la escala de fabricación han reducido en cualquier caso el costo, aumentado la confiabilidad y aumentado la eficiencia de las instalaciones fotovoltaicas. La medición neta y los incentivos financieros, como las tarifas de alimentación preferenciales para la electricidad generada por energía solar, han respaldado las instalaciones de energía solar fotovoltaica en muchos países. Más de 100 países ahora usan energía solar fotovoltaica.

Después de las energías hidroeléctrica y eólica, la energía fotovoltaica es la tercera fuente de energía renovable en términos de capacidad global. A fines de 2016, la capacidad fotovoltaica instalada a nivel mundial aumentó a más de 300 gigavatios (GW), cubriendo aproximadamente el dos por ciento de la demanda mundial de electricidad. China, seguida de Japón y los Estados Unidos, es el mercado de más rápido crecimiento, mientras que Alemania sigue siendo el mayor productor mundial, y la energía solar fotovoltaica proporciona el siete por ciento del consumo anual de electricidad en el país. Con la tecnología actual (a partir de 2013), la energía fotovoltaica recupera la energía necesaria para su fabricación en 1,5 años en el sur de Europa y 2,5 años en el norte de Europa.

Renovabilidad
Dependiendo del tipo de célula fotovoltaica considerada, la naturaleza renovable de esta energía es parcialmente debatible, ya que la fabricación de paneles fotovoltaicos requiere energía cuyo origen actualmente es esencialmente no renovable. De hecho, los países que producen casi todos los paneles fotovoltaicos instalados en el mundo (China, Estados Unidos, Japón, India), todos tienen balances de energía dominado masivamente por energías no renovables; por ejemplo, China, que produce el 80% de los paneles instalados en Europa 3, obtiene el 86% de su energía de fuentes no renovables.

Sin embargo, la tasa de retorno de energía de los sistemas fotovoltaicos ha mejorado gracias a los sucesivos avances tecnológicos. Dependiendo de las tecnologías, un sistema fotovoltaico produce entre 20 y 40 veces más energía durante su operación (equivalente primario) que lo que se usó para fabricarlo 5.

Fundamentos técnicos
Para la conversión de energía, se utiliza el efecto fotoeléctrico de las células solares, que están conectadas a los llamados módulos solares. La electricidad generada puede usarse directamente, almacenarse en acumuladores o alimentarse en redes eléctricas. Antes de alimentar a CA: las cuadrículas generadas son convertidas en corriente continua de un inversor. El sistema de módulos solares y los otros componentes (inversor, línea de alimentación) se llama sistema fotovoltaico o generador solar.

Producción nominal y rendimiento
La potencia nominal de los sistemas fotovoltaicos a menudo se indica en la notación W p (Watt Peak) o kW p y se refiere al rendimiento en condiciones de prueba que corresponden aproximadamente a la radiación solar máxima en Alemania. Las condiciones de prueba sirven para estandarizar y comparar diferentes módulos solares. Los valores eléctricos de los componentes se dan en hojas de datos. Se mide a 25 ° C de temperatura del módulo, 1000 W / m² de irradiancia y una masa de aire (abreviada AM) de 1,5. Estas condiciones de prueba estándar (generalmente abreviado STC, condiciones de prueba estándar) se establecieron como estándares internacionales. Si no se pueden cumplir estas condiciones durante la prueba, la potencia nominal se debe determinar mediante el cálculo a partir de las condiciones de prueba dadas.

A modo de comparación: la intensidad de radiación del sol en el espacio cercano a la Tierra (constante solar) es, en promedio, 1367 W / m². (En el suelo, aproximadamente el 75% de esta energía llega en un clima despejado).

Decisivo para el dimensionamiento y la amortización de un sistema fotovoltaico es, además de la producción máxima, sobre todo el rendimiento anual, es decir, la cantidad de energía eléctrica generada. La energía de la radiación fluctúa a diario, según las estaciones y las condiciones climáticas. En Alemania, por ejemplo, una planta solar en Alemania puede tener hasta diez veces el rendimiento en diciembre en comparación con diciembre. Los datos de entrada actualizados diariamente con alta resolución temporal son de acceso libre para los años de 2011 en Internet.

El rendimiento por año se mide en vatios-hora (Wh) o kilovatios-hora (kWh). La ubicación y la orientación de los módulos, así como el sombreado, tienen una influencia significativa en el rendimiento, con inclinaciones del techo de 30-40 ° y una orientación hacia el sur que proporciona el mayor rendimiento en Europa Central. A la altura máxima del sol (sol del mediodía) orientada, debería estar en Alemania en una instalación fija (sin seguimiento) la inclinación óptima hacia el sur del país de aproximadamente 32 °, estar en el norte unos 37 grados. En la práctica, se recomienda un ángulo de inclinación ligeramente mayor, ya que dos veces al día (en la mañana y en la tarde) y dos veces al año (en mayo y julio), el sistema se alinea de manera óptima. En sistemas de espacio abierto, por lo tanto, tales alineaciones se eligen generalmente. Aunque la altitud solar promedio distribuida durante el año y por lo tanto la pendiente teóricamente óptima se puede calcular exactamente para cada latitud, la radiación real está a lo largo de una latitud diferente debido a factores diferentes, mayormente dependientes del terreno (por ejemplo, sombreado o condiciones climáticas locales especiales). Dado que la efectividad dependiente de la planta con respecto al ángulo de incidencia es diferente, la orientación óptima debe determinarse en cada sitio y relacionado con la planta. En estas investigaciones energéticas, se determina la radiación global basada en la ubicación, que además de la radiación solar directa también incluye la radiación difusa incidente en la dispersión (por ejemplo, nubes) o la reflexión (por ejemplo, paredes de casas cercanas o el suelo).

El rendimiento específico se define como vatios-hora por producción nominal instalada (Wh / W p o kWh / kW p) por período y permite una fácil comparación de sistemas de diferentes tamaños. En Alemania, con un sistema permanentemente instalado de forma óptimamente óptima por área de módulo de 1 kWp, se puede esperar un rendimiento anual de aproximadamente 1.000 kWh, por lo que los valores fluctúan entre 900 kWh en el norte de Alemania y 1150 kWh en el sur de Alemania.

Sistemas de montaje para techos

Azotea con sistema fotovoltaico para electricidad y colectores solares para producción de agua caliente
Los sistemas de montaje distinguen entre los sistemas de techo y los sistemas de techo. En un sistema de techo para tejados inclinados, el sistema fotovoltaico se monta en el techo por medio de un marco de montaje. Este tipo de instalación se elige con más frecuencia porque es más fácil de implementar para los techos existentes.

En un sistema en el techo, un sistema fotovoltaico se integra en el revestimiento del techo y asume sus funciones, como el sellado del techo y la protección contra la intemperie. Ventajosos en tales sistemas son la apariencia visualmente atractiva y el ahorro de una cubierta de techo, de modo que los mayores costos de ensamblaje a menudo pueden ser compensados.

La instalación en el techo es adecuada para techos de tejas y techos de zinc, techos de pizarra o láminas corrugadas. Si la inclinación del techo es demasiado superficial, los ganchos especiales pueden compensar esto en cierta medida. La instalación de un sistema en el techo es generalmente más simple y más barata que un sistema en el techo. Un sistema en el techo también asegura una ventilación adecuada de los módulos solares. Los materiales de sujeción deben ser resistentes a la intemperie.

El sistema de techo es adecuado para renovaciones de techos y edificios nuevos, pero no es posible en todos los techos. Los techos de tejas no permiten el montaje en el techo, techos de zinc o techos de betún. La forma del techo también es decisiva. La instalación en el techo solo es adecuada para techos inclinados suficientemente grandes con una orientación favorable a la pista solar. En general, los sistemas en el tejado requieren ángulos de inclinación más grandes que los sistemas montados en el techo para permitir el drenaje suficiente del agua de lluvia. Los sistemas en el techo se forman con el techo restante en una superficie cerrada y, por lo tanto, son atractivos desde el punto de vista estético. Además, un sistema en el techo tiene una mayor estabilidad mecánica contra la nieve y el viento. Sin embargo, el enfriamiento de los módulos es menos eficiente que el sistema de techo, lo que reduce la potencia y rinde un poco. Una temperatura más alta en 1 ° C reduce la salida del módulo en aprox. 0.5%.

Eficiencia
La eficiencia eléctrica (también llamada eficiencia de conversión) es un factor que contribuye a la selección de un sistema fotovoltaico. Sin embargo, los paneles solares más eficientes suelen ser los más caros y pueden no estar disponibles comercialmente. Por lo tanto, la selección también se debe a la rentabilidad y otros factores.

La eficiencia eléctrica de una célula fotovoltaica es una propiedad física que representa cuánta energía eléctrica puede producir una célula para una insolación determinada. La expresión básica para la máxima eficiencia de una célula fotovoltaica viene dada por la relación entre la potencia de salida y la potencia solar incidente (área de flujo de radiación).

La eficiencia se mide en condiciones de laboratorio ideales y representa la máxima eficacia alcanzable del material fotovoltaico. La eficiencia real está influenciada por la tensión de salida, la corriente, la temperatura de unión, la intensidad de la luz y el espectro.

El tipo de célula solar más eficiente hasta la fecha es una célula solar concentradora de múltiples uniones con una eficiencia del 46.0% producida por Fraunhofer ISE en diciembre de 2014. Las mayores eficiencias logradas sin concentración incluyen un material de Sharp Corporation al 35.8% utilizando un triple patentado – tecnología de fabricación de interruptores en 2009, y Boeing Spectrolab (40.7% también utiliza un diseño de triple capa). La compañía estadounidense SunPower produce celdas que tienen una eficiencia del 21.5%, muy por encima del promedio del mercado del 12-18%.

Fabricación
En general, el proceso de fabricación de energía solar fotovoltaica es simple, ya que no requiere la culminación de muchas partes complejas o móviles. Debido a la naturaleza de estado sólido de los sistemas fotovoltaicos, a menudo tienen una vida útil relativamente larga, de 10 a 30 años. Para aumentar la producción eléctrica de un sistema fotovoltaico, el fabricante simplemente debe agregar más componentes fotovoltaicos y, debido a esto, las economías de escala son importantes para los fabricantes, ya que los costos disminuyen a medida que aumenta la producción.

Si bien hay muchos tipos de sistemas fotovoltaicos que se sabe que son eficaces, el PV de silicio cristalino representó alrededor del 90% de la producción mundial de energía fotovoltaica en 2013. La fabricación de sistemas fotovoltaicos de silicio tiene varios pasos. Primero, el polisilicio se procesa a partir del cuarzo extraído hasta que es muy puro (grado semiconductor). Esto se funde cuando se agregan pequeñas cantidades de boro, un elemento del grupo III, para hacer que un semiconductor de tipo p sea rico en huecos de electrones. Típicamente, usando un cristal de siembra, se cultiva un lingote de esta solución a partir del policristalino líquido. El lingote también puede moldearse en un molde. Las obleas de este material semiconductor se cortan del material a granel con sierras de alambre, y luego se someten a grabado superficial antes de ser limpiadas. A continuación, las obleas se colocan en un horno de deposición de vapor de fósforo que establece una capa muy delgada de fósforo, un elemento del grupo V, que crea una superficie semiconductora de tipo n. Para reducir las pérdidas de energía, se agrega un recubrimiento antirreflectante a la superficie, junto con contactos eléctricos. Después de terminar la celda, las células se conectan a través de un circuito eléctrico de acuerdo con la aplicación específica y se preparan para el envío y la instalación.

La fotovoltaica de silicio cristalino es solo un tipo de PV, y si bien representan la mayoría de las células solares producidas en la actualidad, existen muchas tecnologías nuevas y prometedoras que tienen el potencial de ampliarse para satisfacer las futuras necesidades energéticas.

Otra tecnología más nueva, PV de capa fina, se fabrica depositando capas semiconductoras en el sustrato al vacío. El sustrato suele ser de vidrio o acero inoxidable, y estas capas semiconductoras están hechas de muchos tipos de materiales, incluyendo telururo de cadmio (CdTe), diseleniuro de cobre e indio (CIS), diseleniuro de galio e indio (CIGS) y silicio amorfo (a-Si ) Después de depositarse sobre el sustrato, las capas semiconductoras se separan y se conectan por circuito eléctrico mediante trazado láser. Los paneles fotovoltaicos de capa fina ahora representan alrededor del 20% de la producción total de PV debido a los requisitos de materiales reducidos y al costo de fabricación de módulos que consisten en películas delgadas en comparación con obleas a base de silicio.

Otras tecnologías fotovoltaicas emergentes incluyen fotovoltaicas orgánicas, sensibilizadas con tinte, puntos cuánticos y Perovskita. Las OPV entran dentro de la categoría de fabricación de películas delgadas, y normalmente operan en torno al rango de eficiencia del 12%, que es menor que el 12-21% que suelen ver los PV basados ​​en silicio. Debido a que los sistemas fotovoltaicos orgánicos requieren una pureza muy alta y son relativamente reactivos, deben estar encapsulados, lo que aumenta enormemente el costo de fabricación y significa que no son factibles a gran escala. Los PVs sensibilizados con colorante tienen una eficacia similar a las OPV, pero son significativamente más fáciles de fabricar. Sin embargo, estos fotovoltaicos sensibilizados con colorante presentan problemas de almacenamiento debido a que el electrolito líquido es tóxico y puede penetrar potencialmente los plásticos utilizados en la célula. Las celdas solares de punto cuántico son DSSC sensibilizadas por punto cuántico y se procesan en solución, lo que significa que son potencialmente escalables, pero actualmente alcanzan un pico con una eficiencia del 12%. Las células solares de Perovskita son un convertidor de energía solar muy eficiente y tienen excelentes propiedades optoeléctricas para aplicaciones fotovoltaicas, pero son costosas y difíciles de fabricar.

Aplicaciones

Sistemas fotovoltaicos
Un sistema fotovoltaico o sistema fotovoltaico solar es un sistema de energía diseñado para suministrar energía solar utilizable mediante energía fotovoltaica. Consiste en una disposición de varios componentes, incluidos paneles solares para absorber y convertir directamente la luz solar en electricidad, un inversor solar para cambiar la corriente eléctrica de CC a CA, así como para el montaje, el cableado y otros accesorios eléctricos. Los sistemas fotovoltaicos abarcan desde sistemas pequeños, instalados en el techo o integrados en el edificio con capacidades desde algunas decenas de kilovatios hasta grandes centrales eléctricas de cientos de megavatios. Hoy en día, la mayoría de los sistemas fotovoltaicos están conectados a la red, mientras que los sistemas autónomos solo representan una pequeña porción del mercado.

Sistemas integrados en la azotea y la construcción
Los arreglos fotovoltaicos a menudo se asocian con edificios: integrados en ellos, montados en ellos o montados cerca del suelo. Los sistemas fotovoltaicos en la azotea con frecuencia se adaptan a edificios existentes, generalmente montados en la parte superior de la estructura del techo existente o en las paredes existentes. Alternativamente, una matriz puede ubicarse por separado del edificio pero conectada por cable para suministrar energía al edificio. La energía fotovoltaica integrada al edificio (BIPV) se incorpora cada vez más en el techo o las paredes de nuevos edificios domésticos e industriales como fuente principal o auxiliar de energía eléctrica. Las tejas de techo con celdas fotovoltaicas integradas también se usan a veces. Siempre que exista un espacio abierto en el que pueda circular el aire, los paneles solares montados en la azotea pueden proporcionar un efecto de enfriamiento pasivo en los edificios durante el día y también mantener el calor acumulado durante la noche. Por lo general, los sistemas de techo residencial tienen capacidades pequeñas de alrededor de 5 a 10 kW, mientras que los sistemas de techo comercial a menudo ascienden a varios cientos de kilovatios. Aunque los sistemas de techo son mucho más pequeños que las plantas de energía a escala de servicios terrestres, representan la mayor parte de la capacidad instalada a nivel mundial.

Concentrador fotovoltaico
La tecnología fotovoltaica de concentrador (CPV) es una tecnología fotovoltaica que, al contrario que los sistemas fotovoltaicos convencionales de placa plana, utiliza lentes y espejos curvos para enfocar la luz solar en pequeñas, pero altamente eficientes, células solares de unión múltiple (MJ). Además, los sistemas de CPV a menudo utilizan seguidores solares y, a veces, un sistema de refrigeración para aumentar aún más su eficiencia. La investigación y el desarrollo en curso están mejorando rápidamente su competitividad en el segmento de escala de servicios públicos y en áreas de alta insolación solar.

Colector solar híbrido térmico fotovoltaico
El colector solar híbrido térmico fotovoltaico (PVT) es un sistema que convierte la radiación solar en energía térmica y eléctrica. Estos sistemas combinan una célula fotovoltaica solar, que convierte la luz solar en electricidad, con un colector solar térmico que captura la energía restante y elimina el calor residual del módulo fotovoltaico. La captura de electricidad y calor permite que estos dispositivos tengan una mayor exergía y, por lo tanto, sean más eficientes energéticamente en general que la energía solar fotovoltaica o la energía solar térmica.

Centrales eléctricas
Muchas granjas solares a escala de servicios se han construido en todo el mundo. A partir de 2015, el Solar Star de 579 megavatios (MWAC) es la central de energía fotovoltaica más grande del mundo, seguido de la Granja Solar Desert Sunlight y la Granja Solar Topaz, ambas con una capacidad de 550 MWAC, construida por la compañía estadounidense First Solar. utilizando módulos CdTe, una tecnología FV de película delgada. Las tres centrales eléctricas están ubicadas en el desierto californiano. Muchas granjas solares de todo el mundo están integradas con la agricultura y algunas utilizan sistemas innovadores de seguimiento solar que siguen el camino diario del sol en el cielo para generar más electricidad que los sistemas convencionales de montaje fijo. No hay costos de combustible o emisiones durante el funcionamiento de las estaciones de energía.

Electrificación rural
Los países en desarrollo, donde muchas aldeas están a menudo a más de cinco kilómetros de la red eléctrica, utilizan cada vez más energía fotovoltaica. En lugares remotos de India, un programa de iluminación rural ha estado proporcionando iluminación LED con energía solar para reemplazar las lámparas de queroseno. Las lámparas de energía solar se vendieron a un costo aproximado de unos pocos meses de suministro de kerosene. Cuba está trabajando para proporcionar energía solar para áreas que están fuera de la red. Las aplicaciones más complejas de uso de energía solar fuera de la red incluyen impresoras 3D. Las impresoras RepRap 3D han sido alimentadas por energía solar con tecnología fotovoltaica, lo que permite la fabricación distribuida para el desarrollo sostenible. Estas son áreas donde los costos y los beneficios sociales ofrecen un excelente caso para la energía solar, aunque la falta de rentabilidad ha relegado tales esfuerzos a los esfuerzos humanitarios. Sin embargo, en 1995 se había descubierto que los proyectos de electrificación rural solar eran difíciles de mantener debido a economías desfavorables, falta de soporte técnico y un legado de motivos ulteriores de transferencia de tecnología de norte a sur.

Sistemas autónomos
Hasta hace una década, PV se utilizaba con frecuencia para las calculadoras de potencia y los dispositivos novedosos. Las mejoras en circuitos integrados y pantallas de cristal líquido de baja potencia hacen posible alimentar tales dispositivos durante varios años entre cambios de batería, haciendo que el uso de PV sea menos común. Por el contrario, los dispositivos fijos remotos de energía solar han visto un uso cada vez mayor recientemente en lugares donde los costos de conexión significativos hacen que la energía de la red sea prohibitivamente costosa. Dichas aplicaciones incluyen lámparas solares, bombas de agua, parquímetros, teléfonos de emergencia, compactadores de basura, señales de tráfico temporales, estaciones de carga y señales y puestos de control remoto.

Floatovoltaica
En mayo de 2008, la bodega Far Niente en Oakville, California, fue pionera en el primer sistema «floatovoltaico» del mundo al instalar 994 paneles solares fotovoltaicos en 130 pontones y colocarlos en el estanque de riego de la bodega. El sistema flotante genera aproximadamente 477 kW de potencia máxima y cuando se combina con un conjunto de celdas ubicadas junto al estanque, es capaz de compensar completamente el consumo de electricidad de la bodega. El principal beneficio de un sistema floatovoltaico es que evita la necesidad de sacrificar un área de tierra valiosa que podría usarse para otro propósito. En el caso de la Bodega Far Niente, el sistema flotante ahorró tres cuartas partes de un acre que se habría requerido para un sistema terrestre. Esa área de tierra puede ser utilizada en cambio para la agricultura. Otro beneficio de un sistema floatovoltaico es que los paneles se mantienen a una temperatura inferior a la que tendrían en tierra, lo que conduce a una mayor eficiencia de conversión de energía solar. Los paneles flotantes también reducen la cantidad de agua perdida por evaporación e inhiben el crecimiento de algas.

En transporte
PV ha sido tradicionalmente utilizado para la energía eléctrica en el espacio. El PV rara vez se usa para proporcionar potencia motriz en aplicaciones de transporte, pero se usa cada vez más para proporcionar energía auxiliar en barcos y automóviles. Algunos automóviles están equipados con aire acondicionado de energía solar para limitar las temperaturas interiores en los días calurosos. Un vehículo solar autónomo tendría una potencia y utilidad limitadas, pero un vehículo eléctrico con carga solar permite el uso de energía solar para el transporte. Se han demostrado autos, barcos y aviones con motor solar, y los más prácticos y probables son los autos solares. El avión solar suizo, Solar Impulse 2, logró el vuelo solitario sin escalas más largo de la historia y planea realizar la primera circunnavegación aérea solar del mundo en 2015.

Telecomunicaciones y señalización
La energía solar fotovoltaica es ideal para aplicaciones de telecomunicaciones tales como el intercambio telefónico local, radio y transmisión de televisión, microondas y otras formas de enlaces de comunicación electrónica. Esto se debe a que, en la mayoría de las aplicaciones de telecomunicaciones, las baterías de almacenamiento ya están en uso y el sistema eléctrico es básicamente DC. En terrenos accidentados y montañosos, es posible que las señales de radio y TV no lleguen a medida que se bloquean o se reflejan debido al terreno ondulado. En estas ubicaciones, se instalan transmisores de baja potencia (LPT) para recibir y retransmitir la señal para la población local.

Aplicaciones de naves espaciales
Los paneles solares en las naves espaciales suelen ser la única fuente de energía para hacer funcionar los sensores, el calentamiento y enfriamiento activos y las comunicaciones. Una batería almacena esta energía para usar cuando los paneles solares están en la sombra. En algunos, la potencia también se utiliza para propulsión eléctrica de naves espaciales. Las naves espaciales fueron una de las primeras aplicaciones de la energía fotovoltaica, comenzando con las células solares de silicio utilizadas en el satélite Vanguard 1, lanzado por los EE. UU. En 1958. Desde entonces, la energía solar se ha utilizado en misiones que van desde la sonda MESSENGER hasta Mercury, como muy lejos en el sistema solar como la sonda Juno a Júpiter. El sistema de energía solar más grande que se vuela en el espacio es el sistema eléctrico de la Estación Espacial Internacional. Para aumentar la potencia generada por kilogramo, los paneles solares típicos de naves espaciales usan células solares de múltiples uniones rectangulares de alto costo y alta eficiencia, compuestas de arseniuro de galio (GaAs) y otros materiales semiconductores.

Sistemas de energía especializados
La energía fotovoltaica también se puede incorporar como dispositivos de conversión de energía para objetos a temperaturas elevadas y con emisividades radiativas preferibles, tales como cámaras de combustión heterogéneas.

Ventajas
Los 122 PW de luz solar que llegan a la superficie de la Tierra son abundantes, casi 10.000 veces más que el equivalente a 13 TW de la potencia media consumida en 2005 por los humanos. Esta abundancia lleva a la sugerencia de que no pasará mucho tiempo antes de que la energía solar se convierta en la principal fuente de energía del mundo. Además, la generación eléctrica solar tiene la mayor densidad de potencia (media global de 170 W / m2) entre las energías renovables.

La energía solar está libre de contaminación durante el uso, lo que le permite reducir la contaminación cuando se sustituye por otras fuentes de energía. Por ejemplo, el MIT estimó que 52,000 personas mueren prematuramente en los Estados Unidos por la contaminación de las plantas de energía a base de carbón y que todas menos una de estas muertes podrían ser prevenidas de usar energía fotovoltaica para reemplazar el carbón. Los desechos finales y las emisiones de la producción son manejables utilizando los controles de contaminación existentes. Se están desarrollando tecnologías de reciclaje de final de uso y se están produciendo políticas que fomentan el reciclaje de los productores.

Las instalaciones fotovoltaicas pueden operar durante 100 años o incluso más con poco mantenimiento o intervención después de su configuración inicial, por lo que después del costo de capital inicial de construir cualquier planta de energía solar, los costos de operación son extremadamente bajos en comparación con las tecnologías de energía existentes.

La electricidad solar conectada a la red puede utilizarse localmente, reduciendo así las pérdidas de transmisión / distribución (las pérdidas de transmisión en los EE. UU. Fueron aproximadamente del 7,2% en 1995).

En comparación con las fuentes de energía fósiles y nucleares, se ha invertido muy poco dinero en investigación para el desarrollo de células solares, por lo que hay mucho margen de mejora. Sin embargo, las células solares experimentales de alta eficiencia ya tienen eficiencias de más del 40% en el caso de células fotovoltaicas concentradas y las eficiencias están aumentando rápidamente mientras que los costos de producción en masa están cayendo rápidamente.

En algunos estados de los Estados Unidos, gran parte de la inversión en un sistema montado en el hogar puede perderse si el propietario se mueve y el comprador le da menos valor al sistema que el vendedor. La ciudad de Berkeley desarrolló un método de financiación innovador para eliminar esta limitación, mediante la adición de una evaluación de impuestos que se transfiere con el hogar para pagar los paneles solares. Ahora conocido como PACE, Property Assessed Clean Energy, 30 estados de EE. UU. Han duplicado esta solución.

Existe evidencia, al menos en California, de que la presencia de un sistema solar montado en el hogar en realidad puede aumentar el valor de un hogar. Según un artículo publicado en abril de 2011 por el Laboratorio Nacional Ernest Orlando Lawrence Berkeley titulado Un análisis de los efectos de los sistemas de energía fotovoltaica residencial en los precios de venta de viviendas en California:

La investigación encuentra evidencia contundente de que las casas con sistemas fotovoltaicos en California se han vendido por un precio superior a las viviendas comparables sin sistemas fotovoltaicos. Más específicamente, las estimaciones de las primas de PV promedio oscilan entre aproximadamente $ 3.9 y $ 6.4 por watt instalado (DC) entre una gran cantidad de especificaciones de modelo diferentes, con la mayoría de los modelos que se fusionan cerca de $ 5.5 / watt. Ese valor corresponde a una prima de aproximadamente $ 17,000 por un sistema PV relativamente nuevo de 3,100 vatios (el tamaño promedio de los sistemas fotovoltaicos en el estudio).
Limitaciones

Contaminación y energía en producción
PV ha sido un método bien conocido para generar electricidad limpia y libre de emisiones. Los sistemas fotovoltaicos a menudo están hechos de módulos fotovoltaicos e inversores (que cambian de CC a CA). Los módulos fotovoltaicos están hechos principalmente de células fotovoltaicas, lo que no tiene ninguna diferencia fundamental con respecto al material para fabricar chips de computadora. El proceso de producción de células fotovoltaicas (chips de computadora) consume mucha energía e involucra productos químicos altamente venenosos y tóxicos para el medio ambiente. Hay pocas plantas de fabricación de PV en todo el mundo que producen módulos fotovoltaicos con energía producida a partir de energía fotovoltaica. Esta medida reduce en gran medida la huella de carbono durante el proceso de fabricación. La gestión de los productos químicos utilizados en el proceso de fabricación está sujeta a las leyes y regulaciones locales de las fábricas.

Impacto en la red de electricidad
Con los niveles crecientes de sistemas fotovoltaicos en la azotea, el flujo de energía se convierte en bidireccional. Cuando hay más generación local que consumo, la electricidad se exporta a la red. Sin embargo, la red eléctrica tradicionalmente no está diseñada para lidiar con la transferencia de energía bidireccional. Por lo tanto, pueden ocurrir algunos problemas técnicos. Por ejemplo, en Queensland, Australia, ha habido más del 30% de hogares con techo de PV a finales de 2017. La famosa curva de pato californiana 2020 aparece con mucha frecuencia para muchas comunidades a partir de 2015. Un problema de sobrevoltaje puede surgir a medida que la electricidad fluye de estos hogares FV a la red. Existen soluciones para gestionar el problema de sobrevoltaje, como la regulación del factor de potencia del inversor fotovoltaico, nuevos equipos de control de energía y voltaje en el nivel de distribuidor de electricidad, redireccionamiento de los cables de electricidad, administración del lado de la demanda, etc. A menudo hay limitaciones y costos relacionados con estas soluciones.

Implicación en la gestión de facturas de electricidad y la inversión en energía
No existe una solución mágica para la demanda de electricidad o energía y la administración de facturas, porque los clientes (sitios) tienen diferentes situaciones específicas, por ejemplo, diferentes necesidades de comodidad / conveniencia, diferentes tarifas de electricidad o diferentes patrones de uso. La tarifa de electricidad puede tener algunos elementos, como acceso diario y cargo de medición, cargo de energía (basado en kWh, MWh) o cargo máximo de demanda (por ejemplo, un precio para el consumo de energía de 30min más alto en un mes). La energía fotovoltaica es una opción prometedora para reducir la carga de energía cuando el precio de la electricidad es razonablemente alto y en continuo aumento, como en Australia y Alemania. Sin embargo, para los sitios con un pico de carga de demanda establecido, el VP puede ser menos atractivo si las demandas máximas ocurren principalmente a última hora de la tarde o al anochecer, por ejemplo, en comunidades residenciales. En general, la inversión en energía es en gran medida una decisión económica y es mejor tomar decisiones de inversión basadas en la evaluación sistemática de las opciones de mejora operativa, eficiencia energética, generación in situ y almacenamiento de energía.