Investigación sobre células solares

Actualmente, existen numerosos grupos de investigación activos en el campo de la energía fotovoltaica en universidades e instituciones de investigación de todo el mundo. Esta investigación se puede clasificar en tres áreas: abaratar y/o mejorar la eficiencia de las células solares actuales para que compitan eficazmente con otras fuentes de energía; desarrollar nuevas tecnologías basadas en nuevos diseños arquitectónicos de células solares; y desarrollar nuevos materiales que sirvan como convertidores de energía más eficientes, transformando la energía lumínica en corriente eléctrica o bien como absorbentes de luz y portadores de carga.

Una forma de reducir el coste es desarrollar métodos más económicos para obtener silicio con la pureza suficiente. El silicio es un elemento muy común, pero normalmente se encuentra ligado a la sílice o arena de sílice . El procesamiento de la sílice (SiO₂ ₎ para producir silicio es un proceso que consume mucha energía: con la eficiencia actual, una célula solar convencional tarda entre uno y dos años en generar tanta energía como la que se utilizó para fabricar el silicio que contiene. Los métodos de síntesis más eficientes energéticamente no solo benefician a la industria solar, sino también a las industrias relacionadas con la tecnología del silicio en su conjunto.

La producción industrial actual de silicio se realiza mediante la reacción entre carbono (carbón vegetal) y sílice a una temperatura de alrededor de 1700  °C. En este proceso, conocido como reducción carbotérmica, cada tonelada de silicio (de grado metalúrgico, con una pureza aproximada del 98 %) se produce con la emisión de aproximadamente 1,5 toneladas de dióxido de carbono.

La sílice sólida se puede convertir (reducir) directamente en silicio puro mediante electrólisis en un baño de sales fundidas a una temperatura bastante moderada (800 a 900  °C). ^{[ 1 ] [ 2 ]} Si bien este nuevo proceso es en principio el mismo que el Proceso FFC Cambridge , descubierto a finales de 1996, el hallazgo de laboratorio interesante es que dicho silicio electrolítico se presenta en forma de silicio poroso que se convierte fácilmente en un polvo fino, con un tamaño de partícula de unos pocos micrómetros, y por lo tanto puede ofrecer nuevas oportunidades para el desarrollo de tecnologías de células solares.

Otro enfoque para reducir la cantidad de silicio utilizado y, por lo tanto, el costo, es mediante el micromecanizado de obleas en capas muy delgadas, prácticamente transparentes, que podrían usarse como recubrimientos arquitectónicos transparentes. ^{[ 3 ]} La técnica consiste en tomar una oblea de silicio, típicamente de 1 a 2  mm de espesor, y hacer multitud de cortes transversales paralelos a través de la oblea, creando una gran cantidad de láminas que tienen un espesor de 50 micrómetros y un ancho igual al espesor de la oblea original. Estas láminas se rotan 90 grados, de modo que las superficies correspondientes a las caras de la oblea original se convierten en los bordes de las láminas. El resultado es convertir, por ejemplo, una oblea de 150  mm de diámetro y 2  mm de espesor con un área superficial de silicio expuesta de aproximadamente 175  cm² ^por lado en aproximadamente 1000 láminas con dimensiones de 100  mm × 2  mm × 0,1  mm, lo que produce un área superficial total de silicio expuesta de aproximadamente 2000 ^cm²  por lado. Como resultado de esta rotación, el dopaje eléctrico y los contactos que se encontraban en la superficie de la oblea se ubican en los bordes de la lámina, en lugar de en la parte frontal y posterior como en el caso de las celdas de oblea convencionales. Esto tiene el interesante efecto de hacer que la celda sea sensible tanto por la parte frontal como por la posterior (una propiedad conocida como bifacialidad). ^{[ 3 ]} Mediante esta técnica, una oblea de silicio es suficiente para construir un panel de 140 vatios, en comparación con las aproximadamente 60 obleas necesarias para los módulos convencionales de la misma potencia.

Las células fotovoltaicas de película delgada pueden utilizar menos del 1 % de la costosa materia prima (silicio u otros absorbentes de luz) en comparación con las células solares basadas en obleas, lo que conlleva una importante reducción del precio por vatio de capacidad máxima. Existen numerosos grupos de investigación en todo el mundo que investigan activamente diferentes enfoques y/o materiales de película delgada. ^{[ 4 ]}

Una tecnología particularmente prometedora son las películas delgadas de silicio cristalino sobre sustratos de vidrio. Esta tecnología combina las ventajas del silicio cristalino como material para células solares (abundancia, no toxicidad, alta eficiencia, estabilidad a largo plazo) con el ahorro de costes que supone el uso de una técnica de película delgada. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Otro aspecto interesante de las células solares de película delgada es la posibilidad de depositar las células en todo tipo de materiales, incluidos sustratos flexibles ( PET, por ejemplo), lo que abre una nueva dimensión para nuevas aplicaciones. ^{[ 7 ]}

En diciembre de 2014, el récord mundial de eficiencia de células solares, del 46%, se logró mediante el uso de células solares de concentración de múltiples uniones , desarrolladas gracias a la colaboración entre Soitec , CEA-Leti , Francia, junto con Fraunhofer ISE , Alemania. ^{[ 8 ]}

El Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) ganó uno de los premios R&D 100 de la revista R&D Magazine por su célula fotovoltaica Metamorphic Multijunction , una célula ultraligera y flexible que convierte la energía solar con una eficiencia récord. ^{[ 9 ]}

La célula solar ultraligera y de alta eficiencia fue desarrollada en NREL y está siendo comercializada por Emcore Corp. ^{[ 10 ]} de Albuquerque, NM , en asociación con la Dirección de Vehículos Espaciales de los Laboratorios de Investigación de la Fuerza Aérea en la Base de la Fuerza Aérea Kirtland en Albuquerque.

Representa una nueva clase de células solares con claras ventajas en rendimiento, diseño, funcionamiento y coste. Durante décadas, las células convencionales han utilizado obleas de materiales semiconductores con una estructura cristalina similar . Su rendimiento y rentabilidad se ven limitados por el crecimiento de las células en posición vertical. Además, estas células son rígidas, pesadas y gruesas, con una capa inferior de germanio .

En el nuevo método, la célula se cultiva al revés. Estas capas utilizan materiales de alta energía con cristales de altísima calidad, especialmente en las capas superiores, donde se genera la mayor parte de la energía. No todas las capas siguen el patrón reticular de espaciado atómico uniforme. En cambio, la célula incluye un rango completo de espaciado atómico, lo que permite una mayor absorción y aprovechamiento de la luz solar. Se elimina la gruesa y rígida capa de germanio, reduciendo el coste de la célula y su peso en un 94 %. Al revolucionar el enfoque convencional de las células, se obtiene una célula ultraligera y flexible que, además, convierte la energía solar con una eficiencia récord (40,8 % bajo una concentración de 326 soles).

La invención de los polímeros conductores (por la que Alan Heeger , Alan G. MacDiarmid y Hideki Shirakawa recibieron el Premio Nobel ) podría conducir al desarrollo de células mucho más económicas basadas en plásticos de bajo costo. Sin embargo, las células solares orgánicas generalmente se degradan al exponerse a la luz ultravioleta, por lo que su vida útil es demasiado corta para ser viables. Los enlaces en los polímeros son susceptibles de romperse al ser irradiados con longitudes de onda más cortas. Además, los sistemas de doble enlace conjugado en los polímeros, que portan la carga, reaccionan con mayor facilidad a la luz y al oxígeno . Por lo tanto, la mayoría de los polímeros conductores, al ser altamente insaturados y reactivos, son muy sensibles a la humedad atmosférica y a la oxidación, lo que dificulta sus aplicaciones comerciales.

Los paneles solares experimentales sin silicio pueden estar hechos de heteroestructuras cuánticas , por ejemplo, nanotubos de carbono o puntos cuánticos , incrustados en polímeros conductores u óxidos metálicos mesoporosos. Además, las películas delgadas de muchos de estos materiales sobre células solares de silicio convencionales pueden aumentar la eficiencia de acoplamiento óptico en la célula de silicio, impulsando así la eficiencia general. Al variar el tamaño de los puntos cuánticos, las células pueden ajustarse para absorber diferentes longitudes de onda. Aunque la investigación aún está en sus inicios, los dispositivos fotovoltaicos modificados con puntos cuánticos podrían alcanzar hasta un 42 % de eficiencia de conversión de energía debido a la generación de excitones múltiples (MEG). ^{[ 11 ]}

Investigadores del MIT han encontrado una manera de utilizar un virus para mejorar la eficiencia de las células solares en un tercio.

Muchas células solares modernas utilizan películas delgadas transparentes que también son conductoras de carga eléctrica. Las películas delgadas conductoras predominantes en la investigación actual son los óxidos conductores transparentes (abreviados como "TCO"), entre los que se incluyen el óxido de estaño dopado con flúor (SnO₂ _: F o "FTO"), el óxido de zinc dopado (por ejemplo, ZnO:Al) y el óxido de indio y estaño (abreviado como "ITO"). Estas películas conductoras también se utilizan en la industria de las pantallas LCD para paneles planos. La doble función de un TCO permite que la luz atraviese una ventana del sustrato hasta el material activo que absorbe la luz, y también actúa como contacto óhmico para transportar los portadores de carga fotogenerados lejos de dicho material. Los materiales TCO actuales son eficaces para la investigación, pero quizás aún no estén optimizados para la producción fotovoltaica a gran escala. Requieren condiciones de deposición muy especiales en alto vacío, a veces presentan una baja resistencia mecánica y la mayoría tiene una baja transmitancia en la porción infrarroja del espectro (por ejemplo, las películas delgadas de ITO también se pueden utilizar como filtros infrarrojos en las ventanas de los aviones). Estos factores encarecen la fabricación a gran escala.

Ha surgido un campo relativamente nuevo que utiliza redes de nanotubos de carbono como conductor transparente para células solares orgánicas . Estas redes son flexibles y pueden depositarse sobre superficies de diversas maneras. Mediante un tratamiento específico, las películas de nanotubos pueden ser altamente transparentes en el infrarrojo, lo que podría permitir la creación de células solares eficientes con baja brecha de energía. Las redes de nanotubos son conductores de tipo p, mientras que los conductores transparentes tradicionales son exclusivamente de tipo n . La disponibilidad de un conductor transparente de tipo p podría dar lugar a nuevos diseños de células que simplifiquen la fabricación y mejoren la eficiencia.

A pesar de los numerosos intentos por mejorar las células solares mediante el uso de materiales nuevos y exóticos, la realidad es que el mercado fotovoltaico sigue dominado por las células solares basadas en obleas de silicio (células solares de primera generación). Esto significa que la mayoría de los fabricantes de células solares están actualmente equipados para producir este tipo de células. En consecuencia, se está llevando a cabo una gran cantidad de investigación en todo el mundo para fabricar células solares basadas en obleas de silicio a un menor coste y aumentar la eficiencia de conversión sin un incremento desorbitado en el coste de producción. El objetivo final, tanto para las células fotovoltaicas basadas en obleas como para las alternativas, es producir electricidad solar a un coste comparable al del carbón, el gas natural y la energía nuclear, actualmente dominantes en el mercado, para convertirla en la principal fuente de energía primaria. Para lograrlo, puede ser necesario reducir el coste de los sistemas solares instalados, que actualmente ronda los 1,80 dólares estadounidenses (para tecnologías de silicio a granel) a unos 0,50 dólares estadounidenses por vatio de potencia máxima. ^{[ 15 ]} Dado que una parte importante del costo final de un módulo de silicio a granel tradicional está relacionada con el alto costo de la materia prima de polisilicio de grado solar (alrededor de US$0,4/Watt pico), existe un impulso sustancial para hacer que las células solares de Si sean más delgadas (ahorro de material) o para hacer células solares a partir de silicio metalúrgico mejorado más barato (el llamado "Si sucio").

IBM cuenta con un proceso de recuperación de obleas semiconductoras que utiliza una técnica especializada de eliminación de patrones para reutilizar obleas semiconductoras de desecho en una forma empleada para la fabricación de paneles solares basados ​​en silicio. Este nuevo proceso fue galardonado recientemente con el premio "Premio a la Prevención de la Contaminación más Valiosa de 2007" por la Mesa Redonda Nacional para la Prevención de la Contaminación (NPPR). ^{[ 16 ]}

Investigadores del Laboratorio Nacional de Idaho , junto con socios de Lightwave Power Inc. en Cambridge, Massachusetts , y Patrick Pinhero de la Universidad de Missouri , idearon una forma económica de producir láminas de plástico con miles de millones de nanoantenas que recolectan la energía térmica generada por el sol y otras fuentes, lo que les valió dos premios Nano50 en 2007. La empresa cesó sus operaciones en 2010. Si bien aún se necesitan desarrollar métodos para convertir la energía en electricidad utilizable, las láminas podrían fabricarse algún día como "pieles" ligeras que alimenten desde automóviles híbridos hasta computadoras y teléfonos móviles con mayor eficiencia que las células solares tradicionales. Las nanoantenas captan los rayos infrarrojos medios, que la Tierra irradia continuamente como calor después de absorber energía del sol durante el día; además, las láminas de nanoantenas de doble cara pueden recolectar energía de diferentes partes del espectro solar. En contraste, las células solares tradicionales solo pueden usar la luz visible, lo que las deja inactivas después del anochecer.

Desde 2012, el grupo de Roberto Germano trabaja en el efecto oxicorroeléctrico , que genera voltaje y corriente eléctrica en agua líquida pura, después de crear una asimetría física (no química) en el agua líquida, por ejemplo, gracias a un polímero fuertemente hidrófilo , como el Nafion . ^{[ 17 ] [ 18 ]} Este grupo de investigación tiene su sede en Nápoles , Italia . La investigación comenzó como un proyecto paralelo en la "empresa de transferencia de tecnología" de Germano, Promete srl, y desde 2023 se lleva a cabo en Oxhy srl, una startup creada con el propósito de desarrollar aún más esta línea de investigación.

El Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada (AIST) de Japón ha logrado desarrollar una célula solar transparente que utiliza luz ultravioleta (UV) para generar electricidad, pero permite el paso de la luz visible. La mayoría de las células solares convencionales utilizan luz visible e infrarroja para generar electricidad. Al utilizarse para reemplazar el vidrio de las ventanas convencionales, la superficie de instalación podría ser grande, lo que abre la puerta a posibles aplicaciones que aprovechan las funciones combinadas de generación de energía, iluminación y control de temperatura.

Este sistema transparente que absorbe la radiación UV se logró mediante el uso de una heteroestructura orgánica - inorgánica compuesta por una película del polímero semiconductor de tipo p PEDOT:PSS depositada sobre un sustrato de titanato de estroncio dopado con niobio . El PEDOT:PSS se fabrica fácilmente en películas delgadas debido a su estabilidad en el aire y su solubilidad en agua. Estas células solares se activan únicamente en la región UV y dan como resultado un rendimiento cuántico relativamente alto del 16 % de electrones / fotón . El trabajo futuro en esta tecnología implica reemplazar el sustrato de titanato de estroncio por una película de titanato de estroncio depositada sobre un sustrato de vidrio para lograr una fabricación de bajo costo y de gran superficie. ^{[ 19 ]}

Desde entonces, se han descubierto otros métodos para incluir las longitudes de onda UV en la generación de energía de las células solares. Algunas empresas informan del uso de nanofósforos como recubrimiento transparente para convertir la luz UV en luz visible. ^{[ 20 ]} Otras han informado de la ampliación del rango de absorción de las células fotovoltaicas de unión simple mediante el dopaje de un semiconductor transparente de banda prohibida ancha , como el GaN, con un metal de transición como el manganeso . ^{[ 21 ]}

La investigación sobre células solares flexibles es una tecnología de nivel de investigación, un ejemplo de la cual se desarrolló en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) , donde las células solares se fabrican depositando material fotovoltaico sobre sustratos flexibles, como papel común, mediante la tecnología de deposición química de vapor . ^{[ 22 ]} La tecnología para fabricar células solares sobre papel fue desarrollada por un grupo de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias y el Programa de Fronteras Solares de la Alianza Eni-MIT.

Se están desarrollando células solares tridimensionales que capturan casi toda la luz que incide sobre ellas y que podrían aumentar la eficiencia de los sistemas fotovoltaicos, a la vez que reducen su tamaño, peso y complejidad mecánica. Estas nuevas células solares 3D, creadas en el Instituto de Investigación de Georgia Tech , capturan fotones de la luz solar mediante una matriz de estructuras en miniatura con forma de "torre" que se asemejan a edificios de gran altura en una cuadrícula urbana. ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]} Solar3D, Inc. planea comercializar estas células 3D, pero su tecnología se encuentra actualmente en proceso de patente. ^{[ 26 ]}

Los metamateriales son materiales heterogéneos que emplean la yuxtaposición de numerosos elementos microscópicos, dando lugar a propiedades que no se observan en los sólidos ordinarios. Mediante su uso, podría ser posible fabricar células solares con una excelente capacidad de absorción en un rango estrecho de longitudes de onda. Se ha demostrado una alta absorción en el rango de microondas, ^{[ 31 ] [ 32 ]} pero aún no en el rango de longitudes de onda de 300 a 1100 nm.

Algunos sistemas combinan energía fotovoltaica con energía solar térmica, con la ventaja de que la parte solar térmica disipa el calor y enfría las células fotovoltaicas. Mantener baja la temperatura reduce la resistencia y mejora la eficiencia de la célula. ^{[ 33 ]}

Se afirma que los paneles fotovoltaicos basados ​​en pentaceno mejoran la relación de eficiencia energética hasta un 95%, duplicando efectivamente la eficiencia de las técnicas más eficientes actuales. ^{[ 34 ]}

La fotovoltaica de banda intermedia en la investigación de células solares proporciona métodos para superar el límite de Shockley-Queisser en la eficiencia de una célula. Introduce un nivel de energía de banda intermedia (BI) entre las bandas de valencia y de conducción. Teóricamente, la introducción de una BI permite que dos fotones con energía menor que la banda prohibida exciten un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción . Esto aumenta la fotocorriente inducida y, por lo tanto, la eficiencia. ^{[ 35 ]}

Luque y Marti derivaron por primera vez un límite teórico para un dispositivo IB con un nivel de energía de banda prohibida utilizando el principio de balance detallado . Asumieron que no se recolectaban portadores en el IB y que el dispositivo estaba bajo concentración total. Encontraron que la eficiencia máxima era del 63,2%, para una banda prohibida de 1,95 eV con el IB a 0,71 eV de la banda de valencia o de la banda de conducción. Bajo una iluminación solar, la eficiencia límite es del 47%. ^{[ 36 ]}

• Tecnologías fotovoltaicas más allá del silicio convencional (IDTechEx).