La conversión de la luz en electricidad, llamada efecto fotovoltaico, fue descubierta por E. Becquerel en 1839, aunque habrá que esperar más de un siglo para que los científicos investiguen y desarrollen este fenómeno físico.

La utilización de células solares empieza en los años cuarenta en el campo de la investigación espacial. Las investigaciones iniciadas tras la Segunda Guerra Mundial han permitido la mejora de sus propiedades y de su tamaño aunque no será hasta la crisis energética de los años setenta cuando los gobiernos y la industria inviertan en la tecnología fotovoltaica y sus aplicaciones terrestres.

La tecnología fotovoltaica está en pleno desarrollo. Numerosas posibilidades de explotación son estudiadas y experimentadas en todo el mundo con vistas a una futura comercialización.

Sin embargo, las previsiones de bajada de precios de los módulos fotovoltaicos han sido demasiado optimistas y la industria fotovoltaica se encuentra en una difícil situación. En efecto, la complejidad de los procesos de fabricación de los módulos fotovoltaicos y los rendimientos de producción demasiados bajos conllevan unos gastos elevados que frenan el volumen de ventas.

Podemos esperar que, en los próximos años, la tecnología fotovoltaica llegará a la madurez (procesos simplificados, mejora de los rendimientos de producción) con un volumen de producción que reducirá el precio de los módulos.

A pesar de estas dificultades, la evolución de la tecnología y del mercado fotovoltaicos es globalmente positivo. Los métodos de fabricación han sido mejorados, reduciendo los costos y aumentado el volumen de producción.

Ejemplo de este aumento es el dato de la producción mundial de módulos fotovoltaicos que pasó de 5 Mw pico en 1982 a 60 Mw pico en 1992.

En la actualidad, el 90 % de la industria fotovoltaica se encuentra en Japón, Estados Unidos y en Europa , especialmente por las grandes compañías Siemens, Sanyo, Kyocera, Solarex y BP Solar, que tienen el 50 % del mercado mundial. El 10 % de la producción lo proporciona Brasil, India y China, que son los principales productores de módulos en los países en vías de desarrollo. Es difícil establecer unas previsiones para este fin de siglo, ya que dependiendo de las fuentes, la estimación de la capacidad de producción varía desde 100 Mw pico / año hasta 1000 Mw pico / año.

La célula fotovoltaica se compone de un material semiconductor que absorbe la energía luminosa y la transforma directamente en corriente eléctrica. El principio de funcionamiento de esta célula remite a las propiedades de la radiación y a las de los semiconductores.

El semiconductor es un material cuya concentración de cargas libres es muy débil en relación con los metales. Para que un electrón ligado a su átomo se libere hace falta tratar adecuadamente el semiconductor en energía eléctrica capaz de impulsarlo a un circuito exterior y que pueda alcanzar niveles energéticos superiores. Este valor base, propio de cada material semiconductor, tiene una variación desde 1,0 V. hasta 1,8 V. en las aplicaciones fotovoltaicas. Es de 1,1 voltios para el silicio cristalino y de 1,7voltios para el silicio amorfo.

El espectro de radiación solar es la distribución de los fotones (partículas de la luz) en función de su energía (inversamente proporcional a la longitud de onda). La radiación que llega sobre las células solares será en parte reflejada, en parte absorbida y el resto pasará a través del espesor de la célula.

Los fotones absorbidos, cuya energía es superior a la energía de los electrones del semiconductor liberará un electrón negativo, dejando un "hueco" positivo detrás de él. Para separar este par de cargas eléctricas de signos opuestos (positivo y negativo) y recoger una corriente eléctrica, hará falta introducir un campo eléctrico a cada lado de la célula. El método utilizado para crear este campo es el del "dopado" mediante impurezas.

Dos tipos de dopados son posibles:

Cuando efectuamos dos dopajes excedentes (tipo N y tipo P) en ambos lados de la célula, resultará, tras la recombinación de cargas libres (electrones y huecos), un campo eléctrico constante creado por la presencia que iones fijos positivos y negativos. Estas cargas eléctricas generadas por la absorción de la radiación generarán la corriente de la célula fotovoltaica.

La célula individual, unidad de base de un sistema fotovoltaico, no produce más que una muy débil potencia eléctrica, de uno a tres watios, con una tensión de menos de un voltio. Para producir más potencia, las células se ensamblan para formar un módulo (o panel). La conexión en serie de varias células aumenta la tensión para una misma potencia, mientras que la conexión en paralelo aumenta la potencia conservando la misma tensión. La mayoría de módulos comercializados están compuestos por 36 células de silicio cristalino, conectadas en serie para aplicaciones de doce voltios.

La interconexión de varios módulos entre ellos, en serie o en paralelo para obtener una potencia todavía mayor define la noción de campo fotovoltaico.

El generador fotovoltaico se compone de un campo de módulos y de un conjunto de elementos que adaptan la electricidad producida por los módulos a las especificaciones de los elementos de consumo. Este conjunto, llamado también "Balance of System" o "BOS", incluye todos los equipos entre el campo de módulos y la carga final, a saber:

La tecnología fotovoltaica presenta un gran número de ventajas:

El sistema fotovoltaico presenta algunos inconvenientes:

Es el sector más antiguo en la aplicación de la tecnología fotovoltaica, ya que las primeras utilizaciones de células solares para ingenios espaciales (satélites, naves, ...) se remontan a los años sesenta. Desde entonces, diversas investigaciones y múltiples desarrollos se han realizado en el campo militar (NASA en Estados Unidos) y en el campo civil (ESA en Europa) para aumentar los rendimientos eléctricos, reduciendo al mismo tiempo el peso de los módulos.

Al ser el espectro de la radiación solar diferente en el exterior de la atmósfera, las células y los módulos que se aplican en este campo se fabrican con materiales más seguros frente a los rayos ultravioletas y más resistentes a las radiaciones y a los bombardeos de los diversos materiales (electrones, protones, iones, oxígeno atómico) a los que se ven sometidos.

La electrificación de zonas rurales aisladas es un problema de actualidad, en particular en los países en vías de desarrollo. La extensión de las redes eléctricas para unas demandas relativamente débiles y aisladas no es rentable para las compañías eléctricas. Aunque la solución de los grupos electrógenos (Diesel) presenta muchos inconvenientes (poco fiables, poco autónomos, costes posteriores en combustible, reparaciones, mantenimiento), han sido muchas veces escogidos por su moderada inversión. Efectivamente, el elevado precio inicial de un generador fotovoltaico es el mayor obstáculo para su expansión en este tipo de mercado, en particular en los países en vías de desarrollo en donde las tasas de los intereses son muchas veces muy altas.

La gran cantidad de unidades fotovoltaicas autónomas (de silicio cristalino o amorfo) instaladas en todo el mundo han demostrado en cambio su competitividad en lo que concierne a múltiples aplicaciones de pequeña y mediana potencia (inferior a cien kilovatios).

Numerosas organizaciones internacionales de solidaridad han escogido la técnica fotovoltaica como herramienta de desarrollo social y económico para proporcionar unos servicios de base a la población, como por ejemplo:

La tecnología fotovoltaica está cada vez más integrada en los programas nacionales de electrificación rural (viviendas aisladas, escuelas, centros de salud, telecomunicaciones). El debate que ahora se abre es en cuanto a la elección de un sistema fotovoltaico centralizado (con un generador fotovoltaico único para un conjunto de consumidores dispersos) o descentralizado (pequeños generadores fotovoltaicos para cada consumidor).

La elección dependerá primeramente de la densidad de habitantes y después del modo de financiación posible (poder de compra del consumidor, ayudas de bancos locales, ayuda internacional, etc).

Muchas aplicaciones profesionales exigen una fuente de electricidad altamente fiable, autónoma, sin mantenimiento y sin combustible. El generador fotovoltaico es la opción más seductora: se utiliza con éxito en las telecomunicaciones (postes repetidores para televisión, radio, telefonía, emisión - recepción) pero también para otras aplicaciones como:

Una nueva tendencia está apareciendo con la aplicación de la tecnología fotovoltaica conectada a la red eléctrica nacional y que se caracteriza por un fuerte potencial de difusión en los países industrializados.

Las centrales de producción fotovoltaica son experimentadas desde hace algunos años en Europa, en Estados Unidos, y en Japón, aunque todavía no han pasado de ser plantas-piloto.

La mayoría de proyectos utilizan campos de captación planos, aunque se está experimentando también los sistemas de concentración en las regiones con un importante caudal de radiación directa.

Sólo las centrales fotovoltaicas de media y pequeña potencias (0,1 a 0,5 megawatios) parecen tener una rentabilidad económica. Serán las destinadas a completar la red en diferentes puntos críticos.

Por ejemplo, en las extremidades de una red, la potencia se deteriora cuando la demanda en electricidad aumenta. Una central fotovoltaica situada en el extremo de la línea permitiría reequilibrar la tensión y mejorar la potencia.

Cuando la máxima demanda coincide con el período de mayor radiación, la central fotovoltaica conectada a la red permite suministrar esas fuertes demandas. Es el caso del sur de Estados Unidos cuando la demanda es máxima en las horas de mayor radiación a causa de los aparatos de aire acondicionado.

Otra aplicación interesante en este sector es la combinación hidro-fotovoltaica para centrales sobre cursos de agua (0,1 a 10 MW). La aportación energética del sistema fotovoltaico complementa la ausencia de agua del cauce en la época estival, y la variación de la producción a lo largo del año es eliminada. Esta aplicación podía ser desarrollada en nuestras regiones en un futuro próximo.

El generador fotovoltaico conectado a las redes está siendo adoptado también en las zonas urbanas al instalarse módulos sobre los tejados y las fachadas de los edificios. Las primeras realizaciones se efectuaron a finales de los años setenta en Estados Unidos, aunque en Europa se ha iniciado un programa de experimentación de casas fotovoltaicas (2 a 3 KW pico por tejado), especialmente en Suiza y en Alemania donde la política de protección del medio ambiente es muy estricta.

El interés por tales aplicaciones es para que la producción energética se realice en el mismo sitio donde se da la demanda, solucionando los problemas derivados de la acumulación: el exceso de producción se transfiere a la red, mientras que durante el período de no producción (la noche), la electricidad se toma de la red. Un contador girando en los dos sentidos permitiría reducir la factura de electricidad.

La fachada fotovoltaica está suscitando mucho entusiasmo en Europa y en Estados Unidos; el recubrimiento de las fachadas de los edificios comerciales, donde el consumo es esencialmente diurno se corresponde mejor al binomio consumo-radiación solar. La orientación vertical (o casi) puede ser ventajosa en Europa ya que en estas latitudes y con esta inclinación de los paneles se consigue un gran ahorro en el invierno época con una fuerte demanda de consumo energético.

La electrónica moderna requiere de muy pequeñas potencias (desde el miliwatio hasta una decena de watios) de manera que muchos pequeños aparatos pueden ser alimentados por una pequeña superficie de células fotovoltaicas. Las calculadoras y los relojes son de lejos las aplicaciones más conocidas. Los cargadores de batería, radios, linternas, luminarias de jardín, fuentes, sistemas de alarma, juguetes son algunos otros ejemplos.

La mayoría de estos mini-generadores fotovoltaicos utilizan células de silicio amorfo, a buen precio y más apropiadas para iluminaciones débiles y pequeñas potencias. Constituyen una alternativa muy interesante a las pilas que tienen diversos riesgos de contaminación del medio ambiente, principalmente por los metales pesados que contienen.