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Un primer límite para la eficiencia de conversión fotovoltaica suele derivarse al suponer que el conversor fotovoltaico puede considerarse como una máquina reversible que funcionase entre un foco caliente, el Sol, supuesto a 6000 K y un foco frío, La Tierra, supuesta a 300 K. Esta eficiencia, conocida como eficiencia límite de Carnot da un valor del 95,0 %. La primera dificultad aparece derivada de la misma definición de eficiencia. Si la eficiencia se define como el trabajo que realiza la máquina reversible entre la energía que neta que utiliza para producir ese trabajo, el valor del 95 % es correcto; Pero si se define como el trabajo que realiza la máquina reversible entre la energía que recibe del Sol, el nuevo valor es del 93,3 % y se conoce como eficiencia límite de Landsberg. Para el caso del conversor fotovoltaico, la segunda definición resulta más adecuada.

La segunda dificultad viene de que una célula solar, trabajando en su punto de máxima potencia, no puede considerarse una máquina reversible. Es posible calcular la producción de entropía para sistemas concretos, como el de las células multiunión. La presencia de procesos irreversibles lleva a una eficiencia límite menor que, en el caso de las células multiunión resulta ser del 86.8 %. Esta última cifra es la que probablemente deba considerarse como la eficiencia límite de conversión fotovoltaica. Es notable que en el laboratorio ya se hayan conseguido eficiencias del 47,1 % con estos sistemas.

La célula solar es el dispositivo encargado de convertir la energía de los fotones del Sol en energía eléctrica. La estructura más habitual de una célula solar está basada en una unión pn semiconductora como la que se ilustra en la figura. En esta unión pn aparece un campo eléctrico a consecuencia de la aparición de unas cargas positivas y negativas en la zona próxima a la unión consecuencia de la ionización de las impurezas donadoras y aceptoras que forman los semiconductores n y p respectivamente. Con frecuencia se recurre a la existencia de este campo eléctrico para explicar que una célula solar funcione como tal, con argumentos del tipo “el campo eléctrico separa los pares electrón-hueco que generan los fotones en el semiconductor”. Esta explicación es incorrecta. El origen del error probablemente procede de que, por casualidad, el sentido del movimiento de los electrones y de la corriente eléctrica coincide con el que deberían tener si el campo eléctrico fuese el único causante de su movimiento. Pues bien, conviene aclarar que la existencia de este campo eléctrico no es el responsable del efecto fotovoltaico. Esto se explica muy bien en el libro de P. Wurfel “Physics of Solar Cells: From Basic Principles to Advanced Concepts”, en el Capítulo 6. De hecho, por ejemplo, hay células solares, no basadas en semiconductores, como las de tipo “dye” en las que no existe un campo eléctrico similar al de las uniones pn y, sin embargo, fucionan. Algunas claves para entender el funcionamiento correcto de una célula solar pasan por comprender que los electrones en una célula solar se mueven gracias a la aparición de gradientes de potenciales electroquímico de electrones y huecos cuando la célula se ilumina. Estos gradientes surgen porque las regiones semiconductoras p funcionan como membranas que dejan pasar huecos y las regiones n, como membranas que dejan pasar electrones. Es conceptualmente importante saber también que lo que medimos con un “voltímetro” en bornas de una célula solar no son diferencias de potencial electrostático sino diferencias de potenciales electroquímicos.  Estos conceptos los explicamos en el Master de Energía Solar Fotovoltaica que se imparte en el Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid que forma parte del consorcio CEOTRES-CM.