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LA TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA COMO MEDIO 
EFICIENTE EN LA GENERACION DE ENERGIA 
ELECTRICA EN INMUEBLES E INDUSTRIAS 
 T E S I S 
 
 
 QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: 
INGENIERO MECANICO ELECTRICISTA 
AREA: ELECTRICA – ELECTRONICA 
 
P     R     E      S      E      N      T     A  : 
 
LOPEZ MONDRAGON JORGE SERGIO 
 
 
 MEXICO                                                                               2011 
 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA 
 DE MÉXICO 
 
FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES 
ARAGÓN 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 ASESOR: ING. JESUS NUÑEZ VALADEZ 
 
 
 
 
 
UNAM – Dirección General de Bibliotecas 
Tesis Digitales 
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reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el 
respectivo titular de los Derechos de Autor. 
 
 
 
AGRADECIEMIENTOS 
Agradezco a la Universidad Nacional Autónoma de México, especialmente a la 
Facultad de Estudios Superiores Aragón por la oportunidad que recibí en esta 
institución y sin duda gracias a todos los maestros que contribuyeron realmente en mi 
formación y a los que me apoyaron ofreciéndome su amistad y sus vivencias. 
Hace poco más de cinco años mi vida cambio por completo, afrontando altas y bajas 
en las que hemos estado juntos. Gracias amor por estos años, por lo que hemos 
afrontado y por lo que Dios nos ha dado. Para mi linda esposa Ana. 
Espero que esto sea un motivo para que ustedes min niñas sigan adelante con mucho 
cariño, dedicado a Jimena, Sarai y Jennifer Michell, que sea un ejemplo en su ida y en 
si formación. Las amo 
Deseo agradecer profundamente a mis padres: 
A mi mama Araceli Mondragón P. que siempre estuvo en toda mi formación, como 
persona, como ser humano y como estudiante, mil gracias mamá por todas esas 
desveladas, por todas las atenciones, por lo que has dado y me das. 
Gracias 
 
Para ese gran hombre que nunca se da por vencido, para ese guerrero que no se 
dobla, que me enseña día a día, me da tranquilidad, a ese amigo de toda mi vida que 
siempre ha estado en las buenas y en las malas, gracias por tus palabras de aliento 
en los momentos más importantes sobre todo por no perder la cordura en mi. Gracias 
papá Jorge López H. 
Esto es el reflejo de todo lo que han hecho. 
Gracias 
 
 
 
 
 
ÍNDICE 
 
 TEMA PÁGINA 
 Introducción............................................................................................... 1 
 Objetivo..................................................................................................... 3 
 Capítulo I. El sol, generalidades............................................................... 4 
1.1 Estructura del sol...................................................................................... 8 
1.1.1 Núcleo....................................................................................................... 10 
1.1.2 Zona convectiva........................................................................................ 11 
1.1.3 Fotosfera................................................................................................... 12 
1.1.4 Cromosfera............................................................................................... 13 
1.1.5 Corona solar.............................................................................................. 14 
1.1.6 Cambio de polaridad solar........................................................................ 16 
1.1.7 Importancia de la energía en la tierra....................................................... 17 
1.1.8 
Reacciones termonucleares e incidencia sobre la superficie 
terrestre..................................................................................................... 17 
1.1.9 Exploración solar....................................................................................... 18 
1.2 La energía proveniente del sol.................................................................. 18 
 Capitulo II. Las celdas solares fotovoltaicas............................................. 20 
2.1 El efecto Fotovoltaico................................................................................ 23 
2.2 Las distintas generaciones de células fotovoltaicas................................. 25 
2.3 Las cuatro generaciones de células fotovoltaicas..................................... 27 
2.4 Principio de funcionamiento...................................................................... 32 
2.5 Fotogeneración de portadores de carga................................................... 34 
2.6 Separación de los portadores de carga.................................................... 35 
2.7 Generación de corriente en una placa convencional................................ 36 
2.8 La unión P-N............................................................................................. 37 
2.9 Factores de eficiencia de una célula solar................................................ 40 
2.10 Eficiencia en la conversión de energía..................................................... 40 
2.11 Factor de llenado...................................................................................... 41 
2.12 Conociendo los paneles solares............................................................... 41 
2.13 El panel fotovoltaico.................................................................................. 43 
2.14 Construcción y fabricación........................................................................ 46 
2.15 Efecto de la temperatura en las celdas fotovoltaicas................................ 48 
2.16 Paneles fotovoltaicos – módulos............................................................... 49 
 
Capitulo III: procesos de transformación de energía solar en 
electricidad a través de la tecnología fotovoltaica..................................... 50 
3.1 ¿Cómo funciona la energía solar?............................................................ 51 
3.2 Transformación natural de la energía solar.............................................. 52 
3.3 Recogida directa de energía solar............................................................ 53 
3.4 
La generación de electricidad por medio de la energía del sol: la vía 
térmica y la vía fotovoltaica....................................................................... 54 
3.4.1 Central térmica solar................................................................................. 54 
3.4.2 Las centrales de torre............................................................................... 57 
3.4.3 Las centrales de cilindros parabólicos...................................................... 59 
3.4.4 La energía solar fotovoltaica..................................................................... 60 
3.5 Tecnología fotovoltaica............................................................................. 61 
3.6 Generador fotovoltaico.............................................................................. 62 
3.7 Sistemas fotovoltaicos.............................................................................. 63 
3.8 Sistemas fotovoltaicos conectados a la red..............................................64 
3.8.1 Funcionamiento de un convertidor de CD/CA.......................................... 66 
3.9 Sistemas fotovoltaicos no conectados a la red......................................... 66 
3.10 Criterios de diseño de un sistema fotovoltaico.......................................... 68 
3.10.1 Cuantificación de la necesidad diaria de energía..................................... 68 
3.10.2 Elección de la inclinación de los módulos................................................. 68 
3.10.2.1 Estructuras de soporte.............................................................................. 69 
3.10.3 Calculo de potencia de pico del generador fotovoltaico............................ 70 
3.10.4 Evaluación de las pérdidas del sistema.................................................... 70 
3.10.5 Calculo de la potencia del inversor........................................................... 70 
3.10.6 Batería solar.............................................................................................. 71 
3.10.7 Dimensionamiento de los cables.............................................................. 72 
3.10.8 Costos aproximados de un sistema fotovoltaico....................................... 75 
3.11 La investigación solar de México.............................................................. 76 
3.11.1 La energía solar en México....................................................................... 77 
3.11.2 Proyectos.................................................................................................. 80 
3.11.3 Equipos de energía solar fabricados en México....................................... 80 
3.12 Impacto medioambiental de la energía solar............................................ 81 
3.13 Trato de kyoto........................................................................................... 82 
 
Capitulo IV: La tecnología solar fotovoltaica. Uso y su 
aprovechamiento....................................................................................... 84 
4.1 Hornos solares.......................................................................................... 84 
4.2 Bombeo fotovoltaico.................................................................................. 88 
4.2.1 Almacenamiento de energía..................................................................... 89 
4.2.2 Equipo de bombeo compatible con sistemas fotovoltaicos....................... 89 
4.2.3 Bombas centrífugas………………………………………………………….. 89 
4.3 Colectores de placa plana…………………………………………………... 91 
4.3.1 Colectores de concentración………………………………………………… 92 
4.4 Nuevas tecnologías solares para el aprovechamiento del sol………….. 93 
4.4.1 Células solares con forma esférica………………………………………… 94 
4.4.2 Células solares plásticas basadas en polímeros…………………………. 95 
 Conclusión……………………………………………………………………. 97 
 Glosario………………………………………………………………………… 99 
 Bibliografía…………………………………………………………………… 102 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA 
1
INTRODUCCIÓN 
 
El aprovechamiento por el hombre de las fuentes de energía renovable, entre ellas la 
energía solar, eólica e hidráulica, es muy antiguo; desde muchos siglos antes de nuestra 
era ya se utilizaban y su empleo continuó durante toda la historia hasta la llegada de la 
"Revolución Industrial", en la que, debido al bajo precio del petróleo, fueron 
abandonadas. 
 Durante los últimos años, debido al incremento del costo de los combustibles fósiles 
y los problemas medioambientales derivados de su explotación, estamos asistiendo a un 
renacer de las energías renovables. 
 Las energías renovables son inagotables, limpias y se pueden utilizar de forma 
autogestionada (ya que se pueden aprovechar en el mismo lugar en que se producen). 
Además tienen la ventaja adicional de complementarse entre sí, favoreciendo la 
integración entre ellas. Por ejemplo, la energía solar fotovoltaica suministra electricidad 
los días despejados (por lo general con poco viento, debido al dominio del anticiclón), 
mientras que en los días fríos y ventosos, frecuentemente nublados, son los 
aerogeneradores los que pueden producir mayor energía eléctrica. 
 
Recibe el nombre de energía solar aquella que proviene del aprovechamiento directo de 
la radiación del sol, y de la cual se obtiene calor y electricidad. El calor se obtiene 
mediante colectores térmicos, y la electricidad a través de paneles fotovoltaicos. 
En los sistemas de aprovechamiento térmico el calor recogido en los colectores solares 
puede destinarse a satisfacer numerosas necesidades, como por ejemplo: obtención de 
agua caliente para consumo doméstico o industrial, o bien para fines de calefacción, 
aplicaciones agrícolas, entre otras. 
 
Los paneles fotovoltaicos, que constan de un conjunto de celdas solares, se utilizan para 
la producción de electricidad, y constituyen una adecuada solución para el 
abastecimiento eléctrico en las áreas rurales que cuentan con un recurso solar 
abundante. La electricidad obtenida mediante los sistemas fotovoltaicos puede utilizarse 
en forma directa, o bien ser almacenada en baterías para utilizarla durante la noche. 
 
La aplicación práctica de la energía solar tiene no obstante sus limitaciones técnicas, 
generalmente relacionados con el rendimiento obtenido, además de que no todos los 
habitantes de nuestro planeta tienen las mismas oportunidades para su 
aprovechamiento. 
El Sol ilumina la Tierra de forma desigual, y con diferente ángulo e intensidad según la 
 
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región terrestre de que se trate, la estación del año y el ciclo día/noche. Lo ideal es 
disponer de una zona que se encuentre iluminada durante la mayor parte del año, eso 
implica que determinados lugares quedan al margen de su aprovechamiento, tal es el 
caso de los países nórdicos, en detrimento de los más próximos al Ecuador, que se ven 
altamente beneficiados. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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3
OBJETIVO 
 
Por la ubicación geográfica de nuestro país tenemos una gran cantidad 
de tiempo de exposición a la luz solar lo cual es una fuente casi inagotable de energía 
que por diversas situaciones no se está aprovechando en nuestro país. 
 
La Republica Mexicana se encuentra geográficamente ubicado en una región de alta 
insolación, aspecto que nos permitiría una amplia utilización del recurso solar; sin 
embargo, para el aprovechamiento eficiente y a gran escala de éste, es 
necesario contar con datos almacenados mediante una red bien diseñada y con series 
de medición de muchos años, en su defecto, se deben realizar estudios teóricos de 
su comportamiento a partir de parámetros relacionados con la radiación solar o con 
información satelital. 
El presente trabajo Proporciona una metodología para proyectar la dotación de energía 
eléctrica por medio de la utilización de la luz solar, sirviendo de guía para intentar 
contribuir en parte contra el problema energético y ambiental que se presenta en el país y 
en el mundo. Así como ofrecer una comprensión básica de las posibilidades y 
restricciones de la tecnología fotovoltaica (FV). 
Así como concientizar a la población sobre todos los beneficios que acarrea la utilización 
de este tipo de energía ya que muchos se basan en el alto costo de la inversión inicial 
pero no existe una visión de futuro que permita ver que a mediano y largo plazo es una 
excelente opción. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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4
 
CAPÍTULO I: EL SOL. 
GENERALIDADES 
 
 
 
El Sol (del latín sol, solis y ésta a su vez de la raíz proto-indoeuropea sauel) es una 
estrella del tipo espectral G2 que se encuentra en el centro del Sistema Solar, 
constituyendo la mayor fuente de energía electromagnética de estesistema 
planetario. La Tierra y otros cuerpos (incluyendo a otros planetas, asteroides, 13 
meteoroides, cometas y polvo) orbitan alrededor del Sol. Por sí solo, representa 
alrededor del 98,6% de la masa del Sistema Solar. 
 
 La distancia media del Sol a la Tierra es de aproximadamente 149.600.000 de 
kilómetros, o 92.960.000 millas, y su luz recorre esta distancia en 8 minutos y 19 
segundos como se muestra en la tabla 1.1. La energía del Sol, en forma de luz solar, 
sustenta a casi todas las formas de vida en la Tierra a través de la fotosíntesis, y 
determina el clima de la Tierra y la meteorología. 
 
 
Tabla 1.1 datos característicos del sol 
 
Datos derivados de la observación terrestre 
Distancia media desde la 
Tierra 
149.597.871 
km(~1,5 × 1011 m) 
Brillo visual (V) –26,8m 
Diám. angular en elperihelio 32' 35,64" 
Diám. angular en el afelio 31' 31,34" 
Características físicas 
Diámetro 1.392.000 km (~1,4 × 109m) 
Diámetro relativo (dS/dT) 109 
Superficie 6,09 × 1012 km2 
 
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Volumen 1,41 × 1018 km3 
Masa 1,9891 × 1030 kg 
Masa relativa a la de la Tierra 332946x 
Densidad 1411 kg/m3 
Densidad relativa a la de la 
Tierra 
0,26x 
Densidad relativa al agua 1,41x 
Gravedad en la superficie 274 m/s2 (27,9 g) 
Temperatura de la superficie 6 × 103 K 
Temperatura de la corona 5 × 106 K 
Temperatura del núcleo ~1,36 × 107 K 
Luminosidad (LS) 3,827 × 1026 W 
 
Es la estrella del sistema planetario en el que se encuentra la Tierra; por tanto, es 
el astro con mayor brillo aparente. Su visibilidad en el cielo local determina, 
respectivamente, el día y la noche en diferentes regiones de diferentes planetas. En la 
Tierra, la energía radiada por el Sol es aprovechada por los seres fotosintéticos, que 
constituyen la base de la cadena trófica, siendo así la principal fuente de energía de 
la vida. También aporta la energía que mantiene en funcionamiento los procesos 
climáticos. 
El Sol es una estrella que se encuentra en la fase denominada secuencia 
principal, con un tipo espectral G2, que se formó entre 4.567,90 y 4.570,10 millones de 
años y permanecerá en la secuencia principal aproximadamente 5000 millones de años 
más. El Sol, junto con todos los cuerpos celestes que orbitan a su alrededor, incluida la 
Tierra, forman el Sistema Solar. 
A pesar de ser una estrella mediana (aún así, es más brillante que el 85% de las 
estrellas existentes en nuestra galaxia), es la única cuya forma se puede apreciar a 
simple vista, con un diámetro angular de 32' 35" de arco en el perihelio y 31' 31" en 
el afelio, lo que da un diámetro medio de 32' 03". La combinación de tamaños y 
distancias del Sol y la Luna son tales que se ven, aproximadamente, con el mismo 
tamaño aparente en el cielo. Esto permite una amplia gama de eclipses solares distintos 
(totales, anulares o parciales). 
 
 
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La energía solar se crea en el interior del Sol, donde la temperatura llega a los 15 
millones de grados, con una presión altísima, que provoca reacciones nucleares. Se 
liberan protones (núcleos de hidrógeno), que se funden en grupos de cuatro para 
formar partículas alfa (núcleos de helio). 
 
Cada partícula alfa pesa menos que los cuatro protones juntos. La diferencia se expulsa 
hacia la superficie del Sol en forma de energía. Un gramo de materia solar libera tanta 
energía como la combustión de 2,5 millones de litros de gasolina. 
 
El Sol también absorbe materia. Es tan grande y tiene tal fuerza que a menudo atrae a 
los asteroides y cometas que pasan cerca. Naturalmente, cuando caen al Sol, se 
desintegran como se muestra en la figura 1.1. 
 
Fig. 1.1 El sol tiene unas fuerzas gravitatorias muy intensas. De esta manera se genera la enorme 
cantidad de energía que emite este astro. 
 
Mediante la radiación de su energía electromagnética, aporta directa o indirectamente 
toda la energía que mantiene la vida en la Tierra, porque todo el alimento y el 
combustible proceden en última instancia de las plantas que utilizan la energía de la luz 
del Sol (Figura 1.2) 
 
Fig. 1.2 sistema solar 
 
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El Sol se formó hace 4.650 millones de años y tiene combustible para 5.500 millones 
más. Después, comenzará a hacerse más y más grande, hasta convertirse en 
una gigante roja. Finalmente, se hundirá por su propio peso y se convertirá en una enana 
blanca, que puede tardar un billón de años en enfriarse. Se formó a partir de nubes de 
gas y polvo que contenían residuos de generaciones anteriores de estrellas. Gracias a 
la metalicidad de dicho gas, de su disco circumestelar surgieron, más tarde, 
los planetas, asteroides y cometas del Sistema Solar. En el interior del Sol se producen 
reacciones de fusión en las que los átomos de hidrógeno se transforman en helio, 
produciéndose la energía que irradia. Actualmente, el Sol se encuentra en 
plena secuencia principal, fase en la que seguirá unos 5000 millones de años más 
quemando hidrógeno de manera estable. 
Llegará un día en que el Sol agote todo el hidrógeno en la región central al 
haberlo transformado en helio. La presión será incapaz de sostener las capas superiores 
y la región central tenderá a contraerse gravitacionalmente, calentando progresivamente 
las capas adyacentes. El exceso de energía producida hará que las capas exteriores del 
Sol tiendan a expandirse y enfriarse y el Sol se convertirá en una estrella gigante roja. El 
diámetro puede llegar a alcanzar y sobrepasar al de la órbita de la Tierra, con lo cual, 
cualquier forma de vida se habrá extinguido. Cuando la temperatura de la región central 
alcance aproximadamente 100 millones de kelvins, comenzará a producirse la fusión del 
helio en carbono mientras alrededor del núcleo se sigue fusionando hidrógeno en helio. 
Ello producirá que la estrella se contraiga y disminuya su brillo a la vez que aumenta su 
temperatura, convirtiéndose el Sol en una estrella de la rama horizontal. Al agotarse el 
helio del núcleo, se iniciará una nueva expansión del Sol y el helio empezará también a 
fusionarse en una nueva capa alrededor del núcleo inerte compuesto de carbono y 
oxígeno y que por no tener masa suficiente el Sol no alcanzará las presiones y 
temperaturas suficientes para fusionar dichos elementos en elementos más pesados que 
lo convertirá de nuevo en una gigante roja, pero ésta vez de la rama asintótica gigante y 
provocará que el astro expulse gran parte de su masa en la forma de una nebulosa 
planetaria, quedando únicamente el núcleo solar que se transformará en una enana 
blanca y, mucho más tarde, al enfriarse totalmente, en una enana negra. El Sol no llegará 
a estallar como una supernova al no tener la masa suficiente para ello. 
 
Si bien se creía en un principio que el Sol, acabaría por absorber además de 
Mercurio y Venus a la Tierra al convertirse en gigante roja, la gran pérdida de masa que 
sufrirá en el proceso hizo pensar por un tiempo que la órbita terrestre al igual que la de 
los demás planetas del Sistema Solar se expandiría posiblemente salvándola de ese 
destino, como se muestra en la figura 1.3. Sin embargo, un artículo reciente postula que 
 
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ello no ocurrirá y que las interacciones mareales así como el roce con la materia de la 
cromosfera solar harán que nuestro planeta sea absorbido. 
 
 
Fig. 1.3 Ciclo de vida del Sol. 
 
 
 
1.1 ESTRUCTURA DEL SOL 
 
Como toda estrella el Sol posee una forma esférica, y a causa de su lento movimiento de 
rotación, tiene también un leve achatamiento polar. Como en cualquier cuerpo masivo 
toda la materia que lo constituye es atraída hacia el centro del objeto por su propia fuerza 
gravitatoria. Sin embargo, el plasma que forma el Sol se encuentra en equilibrio ya que la 
creciente presión en el interiorsolar compensa la atracción gravitatoria produciéndose 
un equilibrio hidrostático. Estas enormes presiones se generan debido a la densidad del 
material en su núcleo y a las enormes temperaturas que se dan en él gracias a las 
reacciones termonucleares que allí acontecen. Existe además de la contribución 
puramente térmica una de origen fotónico. Se trata de la presión de radiación, nada 
despreciable, que es causada por el ingente flujo de fotones emitidos en el centro del Sol. 
Casi todos los elementos químicos terrestres (aluminio, azufre, bario, cadmio, 
calcio, carbono, cerio, cobalto, cobre, cromo, estaño, estroncio, galio, germanio, helio, 
hidrógeno, hierro, indio, magnesio, manganeso, níquel, nitrógeno, oro, oxígeno, paladio, 
plata, platino, plomo, potasio, rodio, silicio, sodio, talio, titanio, tungsteno, vanadio, 
circonio y zinc) y diversos compuestos (tales como cianógeno, óxido de carbono y 
amoniaco) han sido identificados en la constitución del astro rey, por lo que se ha 
 
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concluído que si nuestro planeta se calentara hasta la temperatura solar tendría un 
espectro luminoso casi idéntico al Sol. Incluso el helio fue descubierto primero en el Sol y 
luego se constató su presencia en nuestro planeta 
El Sol presenta una estructura en capas esféricas o en "capas de cebolla". La frontera 
física y las diferencias químicas entre las distintas capas son difíciles de establecer. Sin 
embargo, se puede establecer una función física que es diferente para cada una de las 
capas. En la actualidad, la astrofísica dispone de un modelo de estructura solar que 
explica satisfactoriamente la mayoría de los fenómenos observados, figura 1.4. Según 
este modelo, el Sol está formado por: 
 
1) Núcleo 
2) Zona radiante 
3) Zona convectiva 
4) Fotosfera 
5)Cromosfera 
6) Corona 
7) Manchas solares 
8) Granulación 
9) Viento solar. 
 
 
Fig. 1.4 imagen detallada de un conjunto de manchas solares observadas en el visible. La umbra y la 
penumbra son claramente discernibles así como la granulación solar. 
 
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1.1.1 NÚCLEO 
 
Ocupa unos 139 000 km del radio solar, 1/5 del mismo, y es en esta zona donde se 
verifican las reacciones termonucleares que proporcionan toda la energía que el Sol 
produce. El Sol está constituido por un 81 % de hidrógeno, 18 % de helio y el 1 % 
restante que se reparte entre otros elementos. En su centro se calcula que existe un 
49 % de hidrógeno, 49 % de helio y el 2 % restante en otros elementos que sirven 
como catalizadores en las reacciones termonucleares. A comienzos de la década de los 
años 30 del siglo XX, el físico austriacoFritz Houtermans (1903-1966) y el astrónomo 
inglés Robert d'Escourt Atkinson (1898-1982) unieron sus esfuerzos para averiguar si la 
producción de energía en el interior del Sol y en las estrellas se podía explicar por las 
transformaciones nucleares. En 1938 Hans Albrecht Bethe (1906-2005) en Estados 
Unidos y Carl Friedrich von Weizsäcker (1912-2007), en Alemania, simultánea e 
independientemente, encontraron el hecho notable de que un grupo de reacciones en las 
que intervienen el carbono y el nitrógeno como catalizadores constituyen un ciclo, que se 
repite una y otra vez, mientras dura el hidrógeno. A este grupo de reacciones se las 
conoce como "ciclo de Bethe o del carbono", y es equivalente a la fusión de 
cuatro protones en un núcleo de helio. En estas reacciones de fusión hay una pérdida de 
masa, esto es, el hidrógeno consumido pesa más que el helio producido. Esa diferencia 
de masa se transforma en energía según la ecuación de Einstein (E = mc2), donde E es 
la energía, m la masa y c la velocidad de la luz. Estas reacciones nucleares transforman 
el 0,7 % de la masa afectada en fotones, con una longitud de onda cortísima y, por lo 
tanto, muy energéticos y penetrantes. La energía producida mantiene el equilibrio térmico 
del núcleo solar a temperaturas aproximadamente de 15 millones de kelvins. 
 
El ciclo ocurre en las siguientes etapas: 
1H1 + 6C12 → 7N13 ; 
7N13 → 6C13 + e+ + neutrino ; 
1H1 + 6C13 → 7N14 ; 
1H1 + 7N14 → 8O15 ; 
8O15 → 7N15 + e+ + neutrino ; 
1H1 + 7N15 → 6C12 + 2He4. 
 
Sumando todas las reacciones y cancelando los términos comunes, se tiene 
 
4 1H1 → 2He4 + 2e+ + 2 neutrinos = 26,7 MeV. 
 
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La energía neta liberada en el proceso es 26,7 MeV, o sea cerca de 6,7·1014 J por kg de 
protones consumidos. El carbono actúa como catalizador, pues al final del ciclo se 
regenera. 
Otra reacción de fusión que ocurre en el Sol y en las estrellas, es el ciclo de Critchfiel o 
protón-protón. Charles Critchfield (1910-1994) era en 1938 un joven físico alumno 
deGeorge Gamow (1904-1968) en la Universidad George Washington, y tuvo una idea 
completamente diferente, al darse cuenta que en el choque entre dos protones muy 
rápidos puede ocurrir que uno pierda su carga positiva y se convierta en un neutrón, que 
permanece unido al otro protón constituyendo un deuterón, es decir, un núcleo de 
hidrógeno pesado. 
 
La reacción puede producirse de dos maneras algo distintas: 
1H1 + 1H1 → 1H2 + e+ + neutrino ; 
1H1 + 1H2 → 2He3 ; 
2He3 + 2He3 → 2He4 + 2 1H1. 
 
El primer ciclo se da en estrellas más calientes y con mayor masa que el Sol, y la cadena 
protón-protón en las similares al Sol. En cuanto al Sol, hasta el año 1953 creyó que su 
energía era producida casi exclusivamente por el ciclo de Bethe, pero se demostró 
durante estos últimos años que el calor solar viene en la mayoría (75%) del ciclo protón-
protón. 
En los últimos estadios de su evolución, el Sol fusionará también el helio producto de 
éstos procesos para dar carbono y oxígeno. 
 
1.1.2 ZONA CONVECTIVA 
 
Esta región se extiende por encima de la zona radiactiva y en ella los gases solares dejan 
de estar ionizados y los fotones son absorbidos con facilidad volviéndose el material 
opaco al transporte de radiación. Por lo tanto, el transporte de energía se realiza 
por convección, de modo que el calor se transporta de manera no homogénea 
y turbulenta por el propio fluido. Los fluidos se dilatan al ser calentados y disminuyen 
su densidad. Por lo tanto, se forman corrientes ascendentes de material desde la zona 
caliente hasta la zona superior, y simultáneamente se producen movimientos 
descendentes de material desde las zonas exteriores frías. Así a unos 200 000 km bajo la 
 
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fotosfera del Sol, el gas se vuelve opaco por efecto de la disminución de la temperatura; 
en consecuencia, absorbe los fotones procedentes de las zonas inferiores y se calienta a 
expensas de su energía. Se forman así secciones convectivas turbulentas, en las que 
las parcelas de gas caliente y ligero suben hasta la fotosfera, donde nuevamente la 
atmósfera solar se vuelve transparente a la radiación y el gas caliente cede su energía en 
forma de luz visible, enfriándose antes de volver a descender a las profundidades. El 
análisis de las oscilaciones solares ha permitido establecer que esta zona se extiende 
hasta estratos de gas situados a la profundidad indicada anteriormente. La observación y 
estudio de estas oscilaciones solares constituye el sujeto de estudio de 
la heliosismología. 
 
1.1.3 FOTOSFERA 
 
La fotosfera es la zona visible donde se emite luz visible del So como se muestra en la 
figura 1.5 La fotosfera se considera como la superficie solar y, vista a través de un 
telescopio, se presenta formada por gránulos brillantes que se proyectan sobre un fondo 
más oscuro. A causa de la agitación de nuestra atmósfera, estos gránulos parecen estar 
siempre en agitación. Puesto que el Sol es gaseoso, su fotosfera es algo transparente: 
puede ser observada hasta una profundidad de unos cientos de kilómetros antes de 
volversecompletamente opaca. Normalmente se considera que la fotosfera solar tiene 
unos 100 o 200 km de profundidad. 
 
 
Fig. 1.5 Esquema de la estructura de anillo de una llamarada solar y su origen causado por la 
deformación de las líneas del campo electromagnético. 
 
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13
Aunque el borde o limbo del Sol aparece bastante nítido en una fotografía o en la imagen 
solar proyectada con un telescopio, se aprecia fácilmente que el brillo del disco solar 
disminuye hacia el borde. Este fenómeno de oscurecimiento del centro al limbo es 
consecuencia de que el Sol es un cuerpo gaseoso con una temperatura que disminuye 
con la distancia al centro. La luz que se ve en el centro procede en la mayor parte de las 
capas inferiores de la fotosfera, más caliente y por tanto más luminosa. Al mirar hacia el 
limbo, la dirección visual del observador es casi tangente al borde del disco solar por lo 
que llega radiación procedente sobre todo de las capas superiores de la fotosfera, más 
fría y emitiendo con menor intensidad que las capas profundas en la base de la fotosfera. 
Un fotón tarda un promedio de 10 días desde que surge de la fusión de dos 
átomos de hidrógeno, en atravesar la zona radiante y un mes en recorrer los 200 000 km 
de la zona convectiva, empleando tan sólo unos 8 minutos y medio en cruzar la distancia 
que separa la Tierra del Sol. No se trata de que los fotones viajen más rápidamente 
ahora, sino que en el exterior del Sol el camino de los fotones no se ve obstaculizado por 
los continuos cambios, choques, quiebros y turbulencias que experimentaban en el 
interior del Sol. 
Los gránulos brillantes de la fotosfera tienen muchas veces forma hexagonal y están 
separados por finas líneas oscuras. Los gránulos son la evidencia del movimiento 
convectivo y burbujeante de los gases calientes en la parte exterior del Sol. En efecto, la 
fotosfera es una masa en continua ebullición en el que las células convectivas se 
aprecian como gránulos en movimiento cuya vida media es tan solo de unos nueve 
minutos. El diámetro medio de los gránulos individuales es de unos 700 a 1000 km y 
resultan particularmente notorios en los períodos de mínima actividad solar. Hay también 
movimientos turbulentos a una escala mayor, la llamada "supergranulación", con 
diámetros típicos de unos 35 000 km. Cada súper granulación contiene cientos de 
gránulos individuales y sobrevive entre 12 a 20 horas. Fue Richard Christopher 
Carrington (1826-1875), cervecero y astrónomo aficionado, el primero en observar la 
granulación fotosférica en el siglo XIX. En1896 el francés Pierre Jules César 
Janssen (1824-1907) consiguió fotografiar por primera vez la granulación fotosférica. 
 
 
1.1.4 CROMOSFERA 
 
La cromosfera es una capa exterior a la fotosfera visualmente mucho más transparente. 
Su tamaño es de aproximadamente unos 10 000 km y es imposible observarla sin filtros 
especiales al ser eclipsada por el mayor brillo de la fotosfera. La cromosfera puede 
observarse sin embargo en un eclipse solar en un tono rojizo característico y en 
 
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longitudes de onda específicas, una longitud de onda característica de la emisión por 
hidrógeno a muy alta temperatura. 
Las prominencias solares ascienden ocasionalmente desde la fotosfera alcanzando 
alturas de hasta 150 000 km produciendo erupciones solares espectaculares. 
 
 
1.1.5 CORONA SOLAR 
 
 
 
Fig. 1.6 Tomada por el Telescopio Óptico Solar Hinode, el 12 de enero de 2007, esta imagen revela la 
naturaleza filamentaria del plasma conectando dos regiones con diferente polaridad magnética. 
 
La corona solar, figura 1.6, está formada por las capas más tenues de la atmósfera 
superior solar. Su temperatura alcanza los millones de kelvin, una cifra muy superior a la 
de la capa que le sigue, la fotosfera, siendo esta inversión térmica uno de los principales 
enigmas de la ciencia solar reciente. Estas elevadísimas temperaturas son un dato 
engañoso y consecuencia de la alta velocidad de las pocas partículas que componen la 
atmósfera solar. Sus grandes velocidades son debidas a la baja densidad del material 
coronal, a los intensos campos magnéticos emitidos por el Sol y a las ondas de choque 
que rompen en la superficie solar estimuladas por las células convectivas. Como 
resultado de su elevada temperatura, desde la corona se emite gran cantidad de energía 
en rayos X. En realidad, estas temperaturas no son más que un indicador de las altas 
 
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15
velocidades que alcanza el material coronal que se acelera en las líneas de campo 
magnético y en dramáticas eyecciones de material coronal (EMCs). Lo cierto es que esa 
capa es demasiado poco densa como para poder hablar de temperatura en el sentido 
usual de agitación térmica. 
Todos estos fenómenos combinados ocasionan extrañas rayas en el espectro luminoso 
que hicieron pensar en la existencia de un elemento desconocido en la tierra al que 
incluso denominaron coronium hasta que investigaciones posteriores en 1942 
concluyeron que se trataban de radiaciones producidas por átomos neutros de oxígeno 
de la parte externa de la misma corona, así como de hierro, níquel, calcio y argón 
altamente ionizados (fenómenos imposibles de obtener en laboratorios). 
La corona solar solamente es observable desde el espacio con instrumentos adecuados 
que anteponen un disco opaco para eclipsar artificialmente al Sol o durante un eclipse 
solar natural desde la Tierra. El material tenue de la corona es continuamente expulsado 
por la fuerte radiación solar dando lugar a un viento solar. Así pues, se cree que las 
estructuras observadas en la corona están modeladas en gran medida por el campo 
magnético solar y las células de transporte convectivo. 
En 1970 el físico sueco Hannes Alfven obtuvo el premio Nobel. Él estimó que 
había ondas que transportaban energía por líneas del campo magnético que recorre 
el plasma de la corona solar. Pero hasta hoy no se había podido detectar la cantidad de 
ondas que eran necesarias para producir dicha energía. 
Pero imágenes de alta definición ultravioleta, tomadas cada 8 segundos por el 
satélite de la NASA Solar Dymanics Observatory (SDO)han permitido a científicos como 
Scott McIntosh y sus colegas del Centro Nacional Estadounidense de Investigación 
Atmosférica, detectar gran cantidad de estas ondas. Las mismas se propagan a gran 
velocidad (entre 200 y 250 kilómetros por segundo) en el plasma en movimiento. Ondas 
cuyo flujo energético se sitúa entre 100 y 200 watts por kilómetro cuadrado "son capaces 
de proveer la energía necesaria para propulsar a los rápidos vientos solares y así 
compensar las pérdidas de calor de las regiones menos agitadas de la corona solar", 
estiman los investigadores. 
Sin embargo, según McIntosh esto no es suficiente para generar los 2.000 watts por 
metro cuadrado que se necesitan para abastecer a las zonas activas de la corona. Es por 
esto que se requiere de instrumentos con mayor capacidad temporal y espacial para 
estudiar todo el espectro de energía irradiada en las regiones activas de nuestra estrella. 
 
 
 
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1.1.6 CAMBIO DE POLARIDAD SOLAR 
 
El campo magnético del sol se forma como sigue: En el núcleo, las presiones del 
hidrógeno provocan que sus átomos únicamente queden excluidos por las fuerzas de 
polaridad de los protones, dejando una nube de electrones en torno a dicho núcleo (los 
electrones se han desprendido de las órbitas tradicionales, formando una capa de 
radiación electrónica común). La fusión de los átomos de hidrógeno en helio se produce 
en la parte más interna del núcleo, en donde el helio queda restringido por ser un material 
más pesado. Dicho 'ordenamiento' induce que los propios electrones compartan estados 
de energíay en consecuencia sus campos magnéticos adquieran aún más densidad y 
potencia. Las enormes fuerzas de gravedad, impiden a los fotones (portadores de esas 
fuerzas) escapen de forma libre. De esta forma se genera en su interior un potente 
campo magnético que influye en la dinámica del plasma en las capas siguientes. 
Los campos magnéticos, tal como si se tratase de un material fluido, encuentra su 
dinámica por las fuerzas magnetohidrodinámicas en constante interacción con las 
gravitatorias y rotacionales de la estrella, llegando a la superficie de manera que, los 
materiales más externos quedan ordenados conforme a las líneas de fuerza gauss. La 
rotación solar produce que las capas más externas no giren todas a la misma velocidad, 
por lo que el ordenamiento de estas líneas de fuerza se va descompensando a medida 
que los materiales distribuidos entre los polos y el ecuador van perdiendo sincronismo en 
el giro rotacional de la estrella. Por cada ruptura en la integridad del campo magnético, se 
produce un escape de líneas de fuerza gauss (produciendo las típicas manchas negras), 
en las que un aumento de estas, puede tener como consecuencia una erupción solar 
consecuente por la desintegración local del campo gauss. Cuando el sol se acerca a su 
máximo desorden, las tormentas solares son máximas. Estos periodos se dan cada 11 
años. 
El sol no posee un campo electromagnético como el de la Tierra, sino que posee 
lo que se denomina Viento solar, producido por esas inestabilidades rotacionales del Sol. 
Si no fuera por eso, los campos magnéticos del sol quedarían restringidos a la dinámica 
del plasma. 
Por esa misma razón, una reacción de fusión entre dos átomos de hidrógeno en 
el interior del sol, tarda 11 años en llegar a escapar de las enormes fuerzas gravitatorias 
y magnéticas. 
 
 
 
 
 
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1.1.7 IMPORTANCIA DE LA ENERGÍA EN LA TIERRA 
 
La mayor parte de la energía utilizada por los seres vivos procede del Sol, las plantas la 
absorben directamente y realizan la fotosíntesis, los herbívoros absorben indirectamente 
una pequeña cantidad de esta energía comiendo las plantas, y los carnívoros absorben 
indirectamente una cantidad más pequeña comiendo a los herbívoros. 
 
La mayoría de las fuentes de energía usadas por el hombre derivan 
indirectamente del Sol. Los combustibles fósiles preservan energía solar capturada hace 
millones de años mediante fotosíntesis, la energía hidroeléctrica usa la energía potencial 
de agua que se condensó en altura después de haberse evaporado por el calor del Sol, 
etc. 
Sin embargo, el uso directo de energía solar para la obtención de energía no está 
aún muy extendido debido a que los mecanismos actuales no son suficientemente 
eficaces. 
 
 
1.1.8 REACCIONES TERMONUCLEARES E INCIDENCIA SOBRE LA SUPERFICIE 
TERRESTRE 
 
Una mínima cantidad de materia puede convertirse en una enorme manifestación de 
energía. Esta relación entre la materia y la energía explica la potencia del Sol, que hace 
posible la vida. 
 
¿Cuál es la equivalencia? 
En 1905, Einstein había predicho una equivalencia entre la materia y la energía mediante 
su ecuación E=mc². Una vez que Einstein formuló la relación, los científicos pudieron 
explicar por qué ha brillado el Sol por miles de millones de años. En el interior del Sol se 
producen continuas reacciones termonucleares. De este modo, el Sol convierte cada 
segundo unos 564 millones de toneladas de hidrógeno en 560 millones de toneladas 
de helio, lo que significa que unos cuatro millones de toneladas de materia se 
transforman en energía solar, una pequeña parte de la cual llega a la Tierra y sostiene la 
vida. 
Con la fórmula y los datos anteriores se puede calcular la producción de energía del Sol, 
obteniéndose que la potencia de nuestra estrella es aproximadamente 3,8*1026 watts, ó 
 
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3,8*1023 Kilowatts, dicho de otra manera, el Sol produce en un segundo 760000 veces la 
producción energética anual a nivel mundial. 
 
1.1.9 EXPLORACIÓN SOLAR 
 
Para obtener una visión ininterrumpida del Sol en longitudes de onda inaccesibles desde 
la superficie terrestre, la Agencia Espacial Europea y la NASA lanzaron cooperativamente 
el satélite SOHO (Solar and Heliospheric Observatory) el 2 de diciembre de 1995. La 
sonda europea Ulysses realizó estudios de la actividad solar, y la sonda 
norteamericana Génesisse lanzó en un vuelo cercano a la heliósfera para regresar a la 
Tierra con una muestra directa del material solar. Génesis regresó a la Tierra en el 2004, 
pero su reentrada en la atmósfera fue acompañada de un fallo en su paracaídas principal 
que hizo que se estrellara sobre la superficie. El análisis de las muestras obtenidas 
prosigue en la actualidad. 
 
 
1.2 LA ENERGÍA PROVENIENTE DEL SOL 
 
La Tierra recibe radiación solar entrante (insolación) desde la capa más alta de 
la atmósfera. Aproximadamente el 30% es reflejada de vuelta al espacio mientras que el 
resto es absorbida por las nubes, los océanos y las masas terrestres. El espectro 
electromagnético de la luz solar en la superficie terrestre está ocupado principalmente 
por luz visible y rangos de infrarrojos con una pequeña parte de radiación ultravioleta. La 
radiación absorbida por los océanos, las nubes, el aire y las masas de tierra incrementan 
la temperatura de éstas (figura 1.7). 
 El aire calentado es el que contiene agua evaporada que asciende de los 
océanos, y también en parte de los continentes, causando circulación 
atmosférica o convección. Cuando el aire asciende a las capas altas, donde la 
temperatura es baja, va disminuyendo su temperatura hasta que el vapor de agua se 
condensa formando nubes. 
El calor latente de la condensación del agua amplifica la convección, produciendo 
fenómenos como el viento, borrascas y anticiclones. La energía solar absorbida por los 
océanos y masas terrestres mantiene la superficie a 14 °C. Para la fotosíntesis de las 
plantas verdes la energía solar se convierte en energía química, que produce alimento, 
madera y biomasa, de la cual derivan también los combustibles fósiles 
 
 
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Fig. 1.7 La Tierra recibe energía del Sol y la re-emite nuevamente hacia el espacio. La 
atmósfera retiene parte de la energía reflejada por la Tierra, lo que provoca una temperatura promedio del 
planeta de 15 0C. Si no existiera este efecto, la temperatura promedio sería de -18 0C. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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20
CAPÍTULO II: LAS CELDAS 
SOLARES FOTOVOLTAICAS 
 
 
 
Cuando pensamos en la energía solar, dos manifestaciones de ésta, luz y calor, son 
fácilmente reconocidas. Ambas juegan un papel vital en la vida de nuestro planeta. La luz 
solar hace posible el proceso de fotosíntesis, sin el cual el reino vegetal y animal 
desaparecerían. El calor tempera el clima y evapora las aguas del mar, las que, libres del 
contenido salino, son devueltas al planeta en forma de lluvia. Seres humanos, animales y 
plantas deben su existencia a este simple mecanismo de purificación. Varias de las 
civilizaciones antiguas, conscientes de esta dependencia, convirtieron al sol en una 
deidad digna de veneración. 
Hoy en día la energía solar se utiliza como fuente de energía renovable, la cual se capta 
a través de paneles fotovoltaicos y se almacena en baterías como energía eléctrica para 
suministrar electricidad a las luces (bombillas) y diversos equipos que funcionan con 
energía eléctrica. Esto incluye equipos como su ordenador, o la secadora de pelo que 
utiliza por la mañana. El aprovechamiento de la energía solar representará un costo 
mensual cero, ya que esta es gratuita; sin embargo, vale la pena mencionar que hay una 
inversión inicial para los equipos que permitirán captarla energía solar, controlar y 
almacenar energía eléctrica. 
El término fotovoltaico proviene del griego, que significa “luz” y voltaico, que proviene del 
campo de la electricidad, en honor al físico italiano Alejandro Volta, (que también 
proporciona el término volt a la unidad de medida de la diferencia de potencial en 
el Sistema Internacional de medidas). El término fotovoltaico se comenzó a usar en 
Inglaterra desde el año 1849. 
El efecto fotovoltaico fue reconocido por primera vez en 1839 por el físico 
francés Becquerel, pero la primera célula solar no se construyó hasta 1883. Su autor 
fue Charles Fritts, quien recubrió una muestra de selenio semiconductor con un pan 
de oro para formar el empalme. Este primitivo dispositivo presentaba una eficiencia de 
sólo un 1%. Russell Ohl patentó la célula solar moderna en el año 1946, aunque Sven 
Ason Berglund había patentado, con anterioridad, un método que trataba de incrementar 
la capacidad de las células fotosensibles. 
 
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21
La era moderna de la tecnología de potencia solar no llegó hasta el año 1954 cuando los 
Laboratorios Bell, descubrieron, de manera accidental, que los semiconductores de silicio 
dopado con ciertas impurezas, eran muy sensibles a la luz. 
Estos avances contribuyeron a la fabricación de la primera célula solar comercial con una 
conversión de la energía solar de, aproximadamente, el 6%. La URSS lanzó su 
primer satélite espacial en el año 1957, y los EEUU un año después. En el diseño de éste 
se usaron células solares creadas por Peter Iles en un esfuerzo encabezado por la 
compañía Hoffman Electronics. 
La primera nave espacial que usó paneles solares fue el satélite 
norteamericano Vanguard 1 , lanzado en marzo de 1958, figura 2.1. Este hito generó un 
gran interés en la producción y lanzamiento de satélites geoestacionarios para el 
desarrollo de las comunicaciones, en los que la energía provendría de un dispositivo de 
captación de la luz solar. Fue un desarrollo crucial que estimuló la investigación por parte 
de algunos gobiernos y que impulsó la mejora de los paneles solares. 
En 1970 la primera célula solar con heteroestructura de arseniuro de galio (GaAs) y 
altamente eficiente se desarrolló en la extinta URSS porZhore Alferov y su equipo de 
investigación. 
 
 
Fig. 2.1 James Van Allen (en el centro) con una réplica del propulsor que lanzó el Explorer 1 en el año 
1958. 
 
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22
La producción de equipos de deposición química de metales por vapores orgánicos o 
MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition), no se desarrolló hasta los años 80 
del siglo pasado, limitando la capacidad de las compañías en la manufactura de células 
solares de arseniuro de galio. La primera compañía que manufacturó paneles solares en 
cantidades industriales, a partir de uniones simples de GaAs, con una eficiencia de AM0 
(Air Mass Zero) del 17% fue la norteamericana ASEC (Applied Solar Energy Corporation). 
La conexión dual de la celda se produjo en cantidades industriales por ASEC en 1989, de 
manera accidental, como consecuencia de un cambio del GaAs sobre los sustratos de 
GaAs a GaAs sobre sustratos de germanio. 
El dopaje accidental de germanio (Ge) con GaAs como capa amortiguadora creó circuitos 
de voltaje abiertos, demostrando el potencial del uso de los sustratos de germanio como 
otros celdas. Una celda de uniones simples de GaAs llegó al 19% de eficiencia AM0 en 
1993. ASEC desarrolló la primera celda de doble unión para las naves espaciales usadas 
en los EEUU, con una eficiencia de un 20% aproximadamente. 
Estas celdas no usan el germanio como segunda celda, pero usan una celda basada en 
GaAs con diferentes tipos de dopaje. De manera excepcional, las células de doble unión 
de GaAs pueden llegar a producir eficiencias AM0 del orden del 22%. Las uniones triples 
comienzan con eficiencias del orden del 24% en el 2000, 26% en el 2002, 28% en el 
2005, y han llegado, de manera corriente al 30% en el 2007. En 2007, dos compañías 
norteamericanas Emcore Photovoltaics y Spectrolab, producen el 95% de las células 
solares del 28% de eficiencia. 
 Albert Einstein describió lo que era el efecto 
fotoeléctrico, en el cual se basa hoy la tecnología 
fotovoltaica, por dicho trabajó consiguió el premio 
Nobel de física. Con toda esta información, 
conocimientos y avances, los Laboratorios Bell 
crearon el primer módulo fotovoltaico en 1954 
apareciendo allí las primeras celdas fotovoltaicas; 
como su fabricación era bastante costosa y en aquella 
época el precio resultaba algo injustificado, la 
producción de celdas fotovoltaicas decayó hasta 
1960. Fue en este año en donde la industrial espacial 
comenzó a hacer uso de esta tecnología para 
conseguir energía eléctrica y distribuirlas luego a 
bordo de sus naves; fue a través de los programas espaciales que los científicos y técnicos pusieron énfasis en la
energía solar y sus beneficios; cuando su uso alcanzó un alto grado de confiabilidad, se pudo lograr una reducción
en los costos. 
 
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2.1 EL EFECTO FOTOVOLTAICO 
 
La conversión directa de la energía solar en energía eléctrica se debe al fenómeno físico 
de la interacción de la radiación luminosa con los electrones en los materiales 
semiconductores, fenómeno conocido como efecto fotovoltaico figura 2.2. 
 
 
Figura 2.2 El efecto fotovoltaico 
 
El objeto físico en el que este fenómeno tiene lugar es la célula solar, que no es otra cosa 
que un diodo con la característica esencial de tener una superficie muy amplia (unas 
decenas de cm2). 
 
Para analizar de forma más minuciosa el efecto fotovoltaico es necesario, por tanto, 
describir, por lo menos conceptualmente, el funcionamiento del diodo (unión p-n). 
Además, ya que hasta hoy el material más utilizado para la realización de las células 
solares es el silicio cristalino, se tomará en consideración el diodo de silicio. 
 
El silicio tiene 14 electrones de los que 4 son de valencia, lo que quiere decir que están 
disponibles para unirse con electrones de valencia de otros átomos. En un cristal de 
silicio químicamente puro, cada átomo está unido de forma covalente con otros 4 átomos 
así que dentro del cristal no hay, como consecuencia del enlace químico, electrones 
libres. 
Algunos átomos de silicio en cristal se sustituyen con átomos de fósforo, elemento 
 
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que tiene 5 electrones de valencia: 4 serán utilizados para enlaces químicos con átomos 
adyacentes de silicio, mientras que el quinto puede ser separado del átomo de fósforo 
mediante energía térmica y así tener libertad de movimiento en el retículo del cristal. 
De forma análoga, si la sustitución se realiza con átomos de boro, que sólo tiene 3 
electrones de valencia, faltará un electrón para completar los enlaces químicos con los 
átomos adyacentes de silicio. Este electrón que falta actúa como si fuera un electrón 
‘positivo’ y se llama hueco. 
En el enlace con fósforo, por tanto, los portadores de carga libres son negativos y 
el material es llamado de tipo n, mientras en la sustitución de átomos de silicio con 
átomos de boro, los portadores de carga son positivos y el material es llamado de tipo p. 
La unión p-n (diodo) se realiza uniendo una barra de material de tipo n con una 
barra de material de tipo p. 
 
Los electrones libres en el material ‘n’ verán a la izquierda una región en la que no 
existen electrones libres y, por tanto, habrá un flujo de estos portadores hacia la izquierda 
en el intento de restablecer el equilibrio. De forma análoga, los huecos verán a su 
derecha una región en la que no hay huecos y habrá, por tanto, un flujo de cargas 
positivas hacia la derecha. Con el avance de este proceso de difusión, en el lado 
izquierdo se tendrá un excesode cargas negativas mientras en el lado derecho habrá un 
exceso de cargas positivas (tipo p/tipo n, como se indica en la figura2.3). 
 
 
Figura 2.3. Efecto fotovoltaico en una célula fotovoltaica 
 
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Por consiguiente, en la región de unión de los dos materiales se ha creado un campo 
eléctrico que se hace cada vez más grande a medida que los huecos y los electrones 
continúan difundiéndose hacia lados opuestos. El proceso continúa hasta que el potencial 
eléctrico alcanza un tamaño que impide la posterior difusión de electrones y huecos. 
 
Cuando se alcanza este equilibrio se habrá creado un campo eléctrico permanente en un 
material sin la ayuda de campos eléctricos externos. 
 
Con la información anterior, es posible explicar el efecto fotovoltaico. De hecho, hay que 
suponer que un fotón (partícula que constituye un rayo solar) entre en la región de tipo p 
del material. Si el fotón tiene una energía mayor que la ‘band gap’ energía mínima 
necesaria para romper un enlace del retículo del silicio- será absorbido y creará una 
pareja electrón-hueco. El electrón liberado se moverá hacia la derecha a causa del 
potencial eléctrico. 
 
En cambio, si un fotón entra en la zona n, el hueco creado se moverá hacia la izquierda. 
Este flujo producirá una acumulación de cargas positivas en la izquierda y de cargas 
negativas en la derecha, dando origen a un campo eléctrico opuesto al creado por el 
mecanismo de difusión. 
 
Cuantos más fotones llegan a la unión, tanto más los campos tienden a anularse el uno 
con el otro, hasta llegar al punto en el que ya no haya un campo interno que separe cada 
pareja electrón-hueco. 
Esta es la condición que determina la tensión a circuito abierto de la célula 
fotovoltaica. 
Finalmente, poniendo unos electrodos (contactos metálicos) sobre la superficie de la 
célula se puede utilizar el potencial creado. 
 
 
2.2 LAS DISTINTAS GENERACIONES DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS 
 
En una muestra de metal, los electrones exteriores de sus átomos, denominados 
electrones de valencia pueden moverse libremente. Se dice que están deslocalizados en 
regiones del espacio que ocupan toda la red cristalina, como si de una malla se tratase. 
En términos energéticos esto quiere decir que los electrones de la última capa del átomo 
ocupan niveles de energía altos que les permite escaparse del enlace que les une a su 
átomo. 
 
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26
El conjunto de estos niveles, muy próximos unos de otros, forman parte de la 
llamada banda de conducción (en adelante BC). Esta banda está formada, además, por 
niveles de energía vacíos y es, precisamente, la existencia de estos niveles vacíos la que 
permite que los electrones puedan saltar a ellos cuando se les pone en movimiento, al 
aplicar un campo eléctrico. Precisamente esta circunstancia permite que los metales 
sean conductores de la electricidad. 
Los demás electrones del átomo, con energías menores, forman la banda de valencia 
(BV). La distancia entre ambas bandas, en términos de energía, es nula. Ambas bandas 
se solapan de manera que los electrones de la BV con más energía se encuentran, 
también, en la BC. 
En las sustancias aislantes, la BC está completamente vacía porque todos los electrones, 
incluidos los de la última capa están ligados al átomo, tienen una energía más baja, y por 
lo tanto se encuentran en la banda de valencia, y además la distancia entre las bandas 
(se denomina a esta distancia energética banda prohibida, o gap) es bastante grande, 
con lo que les es muy difícil saltar a la BC. Como la BV está llena, los electrones no 
pueden moverse y no puede haber corriente eléctrica al aplicar un voltaje entre los 
extremos del aislante. 
En los semiconductores, las bandas de valencia y conducción presentan una situación 
intermedia entre la que se da en un conductor y la que es normal en un aislante. La BC 
tiene muy pocos electrones. Esto es debido a que la separación que hay entre la BV y la 
BC no es nula, pero si pequeña. Así se explica que los semiconductores aumentan su 
conductividad con la temperatura, pues la energía térmica suministrada es suficiente para 
que los electrones puedan saltar a la banda de conducción, mientras que los conductores 
la disminuyen, debido a que las vibraciones de los átomos aumentan y dificultan la 
movilidad de los electrones. 
 
Lo interesante de los semiconductores es que su pequeña conductividad eléctrica 
es debida, tanto a la presencia de electrones en la BC, como a que la BV no está 
totalmente llena como se puede apreciar en la figura 2.4. 
 
 
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Fig 2.4 El esquema de la figura corresponde a las diferencias de energía que hay entre las bandas de 
valencia y las bandas de conducción en tres tipos distintos de materiales. Dicha diferencia condiciona la 
conductividad eléctrica de los mismos. 
 
 
2.3 LAS CUATRO GENERACIONES DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS 
 
 
Primera Generación 
 
La primera generación de células fotovoltaicas consistía en una gran superficie de cristal 
simple como se muestra en la figura 2.5. Una simple capa con unión diodo p-n, capaz de 
generar energía eléctrica a partir de fuentes de luz con longitudes de ondas similares a 
las que llegan a la superficie de la Tierra provenientes del Sol. Estas células están 
fabricadas, usualmente, usando un proceso de difusión con obleas de silicio. Esta 
primera generación (conocida también como células solares basadas en oblea) son, 
actualmente, (2007) la tecnología dominante en la producción comercial y constituyen, 
aproximadamente, el 86% del mercado de células solares terrestres. 
 
 
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Fig. 2.5 las primeras células fotovoltaicas marca General Electric, una compañía centenaria fundada 
por Tomas Alva Edison, 
 
Segunda Generación 
La segunda generación de materiales fotovoltaicos se basa en el uso de 
depósitos epitaxiales muy delgados de semiconductores sobre obleas con 
concentradores como se muestra en la figura 2.6. 
 
Fig. 2.6 capas delgadas en un modulo basado en silicio policristalino depositado sobre vidrio. 
 
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 Hay dos clases de células fotovoltaicas epitaxiales: las espaciales y las 
terrestres. Las células espaciales, usualmente, tienen eficiencias AM0 (Air Mass Zero) 
más altas (28-30%), pero tienen un costo por voltio más alto. En las terrestres la película 
delgada se ha desarrollado usando procesos de bajo coste, pero tienen una eficiencia 
AM0 (7-9%), más baja, y, por razones evidentes, se cuestionan para aplicaciones 
espaciales. 
 
 
Fig. 2.7 Barra de silicio policristalino. 
 
Las predicciones antes de la llegada de la tecnología de película delgada 
apuntaban a una considerable reducción de costos para células solares de película 
delgada. Reducción que ya se ha producido. Actualmente (2007) hay un gran número de 
tecnologías de materiales semiconductores bajo investigación para la producción en 
masa. Se pueden mencionar, entre estos materiales, al silicio amorfo, silicio 
policristalino, silicio microcristalino, cadmio y sulfuros y seleniuros de indio. Teóricamente, 
una ventaja de la tecnología de película delgada es su masa reducida, muy apropiada 
para paneles sobre materiales muy ligeros o flexibles (figura 2.7). Incluso materiales de 
origen textil. 
La llegada de películas delgadas de Ga y As para aplicaciones espaciales (denominadas 
células delgadas) con potenciales de eficiencia AM0 por encima del 37% están, 
actualmente, en estado de desarrollo para aplicaciones de elevada potencia específica. 
 
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La segunda generación de células solares constituye un pequeño segmento del mercado 
fotovoltaicoterrestre, y aproximadamente el 90% del mercado espacial. 
 
Tercera Generación 
 
La tercera generación de células fotovoltaicas que se están proponiendo en la actualidad 
(2007) son muy diferentes de los dispositivos semiconductores de las generaciones 
anteriores, ya que realmente no presentan la tradicional unión p-n para separar los 
portadores de carga fotogenerados. Para aplicaciones espaciales, se están estudiando 
dispositivos de huecos cuánticos (puntos cuánticos, cuerdas cuánticas, etc.) y 
dispositivos que incorporan nanotubos de carbono, con un potencial de más del 45% de 
eficiencia AM0. Para aplicaciones terrestres, se encuentran en fase de investigación 
dispositivos que incluyen células fotoelectroquímicas, células solares de polímeros, 
células solares de nanocristales y células solares de tintas sensibilizadas. 
 
 
Fig. 2.8 Célula fotovoltaica solar de tercera generación poli cristalina de 4pulgadas, 
 
 
Cuarta Generación 
 
Una hipotética cuarta generación de células solares consistiría en una tecnología 
fotovoltaica compuesta en las que se mezclan, conjuntamente, nanopartículas con 
polímeros para fabricar una capa simple multiespectral. Posteriormente, varias capas 
 
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delgadas multiespectrales se podrían apilar para fabricar las células solares 
multiespectrales definitivas. Células que son más eficientes, y baratas. Basadas en esta 
idea, y la tecnología multiunión, se han usado en las misiones de Marte que ha llevado a 
cabo la NASA. La primera capa es la que convierte los diferentes tipos de luz, la segunda 
es para la conversión de energía y la última es una capa para el espectro infrarrojo. De 
esta manera se convierte algo del calor en energía aprovechable. El resultado es una 
excelente célula solar compuesta, como se muestra en la figura 2.9. 
 
La investigación de base para esta generación se está supervisando y dirigiendo 
por parte de la DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) para determinar 
si esta tecnología es viable o no. Entre las compañías que se encuentran trabajando en 
este cuarta generación se encuentran Xsunx, Konarka Technologies, Inc., Nanosolar, 
Dyesol y Nanosys. 
 
 
Fig. 2.9 Una cuarta generación de paneles solares uniría nanopartículas con polímeros para lograr células 
más eficientes y baratas 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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2.4 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO 
 
Principios teóricos de funcionamiento. 
1. Algunos de los fotones, que provienen de la radiación solar, impactan sobre la 
primera superficie del panel, penetrando en este y siendo absorbidos por 
materiales semiconductores, tales como el silicio o el arseniuro de galio. 
2. Los electrones, subpartículas atómicas que forman parte del exterior de 
los átomos, y que se alojan en orbitales de energía cuantizada, son golpeados 
por los fotones (interaccionan) liberándose de los átomos a los que estaban 
originalmente confinados. 
Esto les permite, posteriormente, circular a través del material y producir electricidad. 
Las cargas positivas complementarias que se crean en los átomos que pierden los 
electrones, (parecidas a burbujas de carga positiva) se denominan huecos y fluyen en el 
sentido opuesto al de los electrones, en el panel solar como se muestra en la figura 2.10. 
 
 
Fig. 2.10 elementos para el buen funcionamiento de una celda solar fotovoltaica 
 
Se ha de comentar que, así como el flujo de electrones corresponde a cargas reales, es 
decir, cargas que están asociadas a desplazamiento real de masa, los huecos, en 
 
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realidad, son cargas que se pueden considerar virtuales puesto que no implican 
desplazamiento de masa real. 
Un conjunto de paneles solares transforman la energía solar (energía en forma de 
radiación y que depende de la frecuencia de los fotones) en una determinada cantidad 
de corriente continua, también denominada DC (acrónimo del inglés Direct Current y que 
corresponde a un tipo de corriente eléctrica que se describe como un movimiento de 
cargas en una dirección y un sólo sentido, a través de un circuito, figura 2.11). 
Opcionalmente: 
1. La corriente continua se lleva a un circuito electrónico conversor (inversor) que 
transforma la corriente continua en corriente alterna, (AC) (tipo de corriente 
disponible en el suministro eléctrico de cualquier hogar) de 120 o 240 voltios. 
2. La potencia de AC entra en el panel eléctrico de la casa. 
3. La electricidad generada se distribuye, casi siempre, a la línea de distribución de 
los dispositivos de iluminación de la casa, ya que estos no consumen excesiva 
energía, y son los adecuados para que funcionen correctamente con la corriente 
generada por el panel. 
4. La electricidad que no se usa se puede enrutar y usar en otras instalaciones. 
 
 
Fig. 2.11 Representación de la diferencia de potencial, o voltaje de corriente con respecto al tiempo 
en corriente continúa 
 
 
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2.5 FOTOGENERACIÓN DE PORTADORES DE CARGA 
 
Cuando un fotón llega a una pieza de silicio, pueden ocurrir tres acontecimientos: 
1. El fotón puede pasar a través del material de silicio sin producir ningún efecto, 
esto ocurre, generalmente para fotones de baja energía. 
2. Los fotones pueden ser reflejados al llegar a la superficie del panel, y son 
expulsados de este. 
3. El fotón es absorbido por el silicio, en cuyo caso puede ocurrir: 
 
 Generar calor 
 Producir pares de electrones-huecos, si la energía del fotón incidente es más 
alta que la mínima necesaria para que los electrones liberados lleguen a la 
banda conducción. 
 
Si un fotón tiene un número entero, salto de energía para que el electrón llegue a la 
banda de conducción, podría crear más de un único par electrón-hueco (figura ). No 
obstante, este efecto no es significativo, de manera usual, en las células solares. Este 
fenómeno, de múltiplos enteros, es explicable mediante la mecánica cuántica y la 
cuantización de la energía. 
 
 
Fig. 2.12 Fotogeneración de portadores 
 
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Cuando se absorbe un fotón, la energía de este se comunica a un electrón de la red 
cristalina. Usualmente, este electrón está en la banda de valencia, y está fuertemente 
vinculado en enlaces covalentes que se forman entre los átomos colindantes. El conjunto 
total de los enlaces covalentes que forman la red cristalina da lugar a lo que se llama la 
banda de valencia. Los electrones pertenecientes a esa banda son incapaces de 
moverse más allá de los confines de la banda, a no ser que se les proporcione energía, y 
además energía determinada. La energía que el fotón le proporciona es capaz de 
excitarlo y promocionarlo a la banda de conducción, que está vacía y donde puede 
moverse con relativa libertad, usando esa banda, para desplazarse, a través del interior 
del semiconductor. 
El enlace covalente del cual formaba parte el electrón, tiene ahora un electrón menos, 
esto se conoce como hueco. La presencia de un enlace covalente perdido permite a los 
electrones vecinos moverse hacia el interior de ese hueco, que producirá un nuevo hueco 
al desplazarse el electrón de al lado, y de esta manera, y por un efecto de traslaciones 
sucesivas, un hueco puede desplazarse a través de la red cristalina. Así pues, se puede 
afirmar que los fotones absorbidos por el semiconductor crean pares móviles de 
electrones-huecos. 
Un fotón solo necesita tener una energía más alta que la necesaria para llegar a los 
huecos vacíos de la banda de conducción del silicio, y así poder excitar un electrón de la 
banda de valencia original a dicha banda. 
El espectro de frecuencia solar es muy parecido al espectro del cuerpo negro cuando 
este se calienta a la temperaturade 6000K y, por tanto, gran cantidad de la radiación que 
llega a la Tierra está compuesta por fotones con energías más altas que la necesaria 
para llegar a los huecos de la banda de conducción. Ese excedente de energía que 
muestran los fotones, y mucho mayor de la necesaria para la promoción de electrones a 
la banda de conducción, será absorbida por la célula solar y se manifestará en un 
apreciable calor (dispersado mediante vibraciones de la red, denominadas fotones) en 
lugar de energía eléctrica utilizable. 
 
2.6 SEPARACIÓN DE LOS PORTADORES DE CARGA 
 
Hay dos modos fundamentales para la separación de portadores de carga en una célula 
solar: 
1. movimiento de los portadores, impulsados por un campo electrostático 
establecido a través del dispositivo. 
 
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2. difusión de los portadores de carga de zonas de alta concentración de portadores 
a zonas de baja concentración de portadores (siguiendo un gradiente de 
potencial eléctrico). 
En las células de unión p-n, ampliamente usadas en la actualidad, el modo que 
predomina en la separación de portadores es por la presencia de un campo 
electrostático. No obstante, en células solares en las que no hay uniones p-n (típicas de 
la tercera generación de células solares experimentales, como células de película 
delgada de polímeros o de tinta sensibilizada), el campo eléctrico electrostático parece 
estar ausente. En este caso, el modo dominante de separación es mediante la vía de la 
difusión de los portadores de carga, como se muestra en la figura 2.12. 
 
 
Fig. 1.12 Estado de conducción sin fotogeneración de portadores de carga 
 
 
2.7 GENERACIÓN DE CORRIENTE EN UNA PLACA CONVENCIONAL 
 
Los módulos fotovoltaicos funcionan, como se ha dejado entrever en el anterior apartado, 
por el efecto fotoeléctrico. Cada célula fotovoltaica está compuesta de, al menos, dos 
delgadas láminas de silicio. Una dopada con elementos con menos electrones de 
valencia que el silicio, denominada P y otra con elementos con más electrones que los 
átomos de silicio, denominada N. 
Aquellos fotones procedentes de la fuente luminosa, que presentan energía adecuada, 
inciden sobre la superficie de la capa P, y al interactuar con el material liberan electrones 
de los átomos de silicio los cuales, en movimiento, atraviesan la capa de semiconductor, 
 
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pero no pueden volver. La capa N adquiere una diferencia de potencial respecto a la P. Si 
se conectan unos conductores eléctricos a ambas capas y estos, a su vez, se unen a un 
dispositivo o elemento eléctrico consumidor de energía que, usualmente y de forma 
genérica se denomina carga, se iniciará una corriente eléctrica continua. 
Este tipo de paneles producen electricidad en corriente continua y aunque su efectividad 
depende tanto de su orientación hacia el sol como de su inclinación con respecto a la 
horizontal, se suelen montar instalaciones de paneles con orientación e inclinación fija, 
por ahorros en mantenimiento. Tanto la inclinación como la orientación, al sur, se fija 
dependiendo de la latitud y tratando de optimizarla al máximo usando las 
recomendaciones de la norma ISO correspondiente. 
 
 
2.8 LA UNIÓN P-N 
 
La célula solar más usual está fabricada en silicio y configurada como una gran área de 
unión p-n. Una simplificación de este tipo de placas puede considerarse como una capa 
de silicio de tipo n directamente en contacto con una capa de silicio de tipo p. En la 
práctica, las uniones p-n de las células solares, no están hechas de la manera anterior, 
más bien, se elaboran por difusión de un tipo de dopante en una de las caras de una 
oblea de tipo p, o viceversa, como se muestra en la figura 2.13 
 
 
Fig. 2.13 la unión P – N de las células solares 
 
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 Si la pieza de silicio de tipo p es ubicada en íntimo contacto con una pieza de silicio de 
tipo n, tiene lugar la difusión de electrones de la región con altas concentraciones de 
electrones (la cara de tipo n de la unión) hacia la región de bajas concentraciones de 
electrones (cara tipo p de la unión). 
Cuando los electrones se difunden a través de la unión p-n, se recombinan con los 
huecos de la cara de tipo p. Sin embargo, la difusión de los portadores no continúa 
indefinidamente. Esta separación de cargas, que la propia difusión crea, genera un 
campo eléctrico provocado por el desequilibrio de las cargas parando, inmediatamente, el 
flujo posterior de más cargas a través de la unión. 
El campo eléctrico establecido a través de la creación de la unión p-n crea un diodo que 
permite el flujo de corriente en un solo sentido a través de dicha unión. Los electrones 
pueden pasar del lado de tipo n hacia el interior del lado p, y los huecos pueden pasar del 
lado de tipo p hacia el lado de tipo n. Esta región donde los electrones se han difundido 
en la unión se llama región de agotamiento porque no contiene nada más que algunos 
portadores de carga móviles. Es también conocida como la región de espacio de cargas. 
Las planchas monocristalinas (de aproximadamente 1/3 a 1/2 de milímetro espesor) se 
cortan de un gran lingote monocristalino que se ha desarrollado a aproximadamente 
1400°C, este es un proceso muy costoso. El silicio debe ser de una pureza muy elevada 
y tener una estructura cristalina casi perfecta. 
Las planchas policristalinas son realizadas por un proceso de moldeo en el cual el silicio 
fundido es vertido en un molde y se lo deja asentar. Entonces se rebana en planchas. 
Como las planchas policristalinas son hechas por moldeo son apreciablemente más 
baratas de producir, pero no tan eficiente como las celdas monocristalinas. El rendimiento 
más bajo es debido a las imperfecciones en la estructura cristalina resultando del proceso 
de moldeo. 
En los dos procesos anteriormente mencionados, casi la mitad del silicio se pierde como 
polvo durante el cortado. 
El silicio amorfo, una de las tecnologías de lámina delgada, es creado depositando silicio 
sobre un substrato de vidrio de un gas reactivo tal como silano (SiH4). El silicio amorfo es 
una de grupo de tecnologías de lámina delgada. 
Este tipo de célula solar se puede aplicar como película a substratos del bajo 
costo tales como cristal o plástico. Otras tecnologías de lámina delgada incluyen lámina 
delgada de silicio multicristalino, las celdas de seleniuro de cobre e indio/sulfuro de 
cadmio, las celdas de teluro de cadmio/sulfuro del cadmio y las celdas del arseniuro de 
galio. Las celdas de lámina delgada tienen muchas ventajas incluyendo una deposición y 
un ensamblado más fácil, la capacidad de ser depositadas en substratos o materiales de 
 
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construcción baratos, la facilidad de la producción en masa, y la gran conveniencia para 
aplicaciones grandes. 
En la producción de celdas solares al silicio se le introducen átomos de impurezas 
(dopado) para crear una región tipo p y una región tipo n de modo de producir una unión 
p-n (figura 2.14). El dopado se puede hacer por difusión a alta temperatura, donde las 
planchas se colocan en un horno con el dopante introducido en forma de vapor. 
Hay muchos otros métodos de dopar el silicio. En la fabricación de algunos 
dispositivos de lámina delgada la introducción de dopantes puede ocurrir durante la 
deposición de las láminas o de las capas. 
 
Fig. 2.14 unión P-N 
Un átomo del silicio tiene 4 electrones de valencia (aquellos más débilmente unidos), que 
enlazan a los átomos adyacentes. Substituyendo un átomo del silicio por un átomo que 
tenga 3 o 5 electrones de la valencia producirá un espacio sin un electrón (un agujero) o 
un electrón extra que pueda moverse más libremente que los otros, ésta es la base del 
doping. En el doping tipo p, la creación de agujeros,