La investigación sobre células solares flexibles es una tecnología de nivel de investigación, un ejemplo de la cual se creó en el Instituto de Tecnología de Massachusetts en la que las células solares se fabrican depositando material fotovoltaico sobre sustratos flexibles, como el papel ordinario, utilizando tecnología de deposición química de vapor . [1]
La tecnología para fabricar células solares en papel fue desarrollada por un grupo de investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias y el Programa Fronteras Solares de la Alianza Eni-MIT.
Investigadores del MIT desarrollaron un método para imprimir células solares sobre tejidos o sustratos de papel. Los circuitos de materiales fotovoltaicos orgánicos se depositan en cinco capas sobre sustratos de papel ordinarios en una cámara de vacío. Se realiza recubriendo electrodos de polímero conductor conformado con vapor químico oxidativo, un proceso conocido como deposición química de vapor . Estos paneles solares son capaces de producir voltajes superiores a 50 V, que a su vez pueden alimentar aparatos en condiciones normales de iluminación. La célula solar también se muestra flexible. [2] La rejilla conductora de la célula solar es similar [ cita necesaria ] a una impresión fotográfica de inyección de tinta con rectángulos estampados. Cuando se conectan cables al sustrato eléctrico, se muestra que alimentan aparatos eléctricos. Se afirma que el costo de "imprimir" (como lo describe el MIT) es similar al de la impresión fotográfica por inyección de tinta. [3] Esta tecnología utiliza temperaturas de deposición de vapor inferiores a 120 °C, lo que facilita su fabricación en papel normal. [3] La eficiencia actual del panel es cercana al 1%, que el investigador espera mejorar en un futuro próximo. [3]
Como el papel cuesta aproximadamente una milésima parte del vidrio, las células solares que utilizan procesos de impresión pueden ser mucho más baratas que los paneles solares convencionales. [3] Además, otros métodos que implican recubrir papeles con materiales incluyen primero recubrir el papel con un material liso para contrarrestar la rugosidad a escala molecular del papel. Pero con este método el material fotovoltaico se puede recubrir directamente sobre papel sin tratar. [3]
El circuito también se probó depositando los materiales fotovoltaicos sobre un sustrato de tereftalato de polietileno (PET). La lámina de PET se dobló y desdobló 1000 veces y no se observó ningún deterioro evidente en el rendimiento, [ cita necesaria ] mientras que los materiales fotovoltaicos comunes depositados sobre PET se deterioraron con un solo pliegue. [ cita necesaria ] La célula solar también se pasó a través de una impresora láser para demostrar su rendimiento continuo después de la exposición a temperaturas [algo] altas y aún conservaba sus características después del procedimiento. [3]
El silicio cristalino (c-Si) es un semiconductor extremadamente popular convertido en obleas , que luego se utilizan en la fabricación del 95% de la energía fotovoltaica del mundo. [4] Debido a su prevalencia en la industria de las células solares, parecería ser un sustrato ideal para las células solares flexibles. Desafortunadamente, el c-Si es frágil y, si bien algunos investigadores han fabricado células solares a partir de silicio amorfo que son flexibles, estas células tienen algunos inconvenientes importantes, como mal rendimiento y condiciones de funcionamiento inestables. [5]
Avances recientes en investigación han dado como resultado un método para diseñar obleas plegables de c-Si. El primer paso es la eliminación de los daños causados por la sierra, [6] que utiliza una solución ácida para grabar la superficie de las obleas. Esto adelgaza las obleas y texturiza la superficie para formar pirámides aleatorias, lo que aumenta la flexibilidad y reduce el reflejo de la superficie de la oblea normalmente brillante, aumentando así la eficiencia de la célula solar. Para minimizar el agrietamiento, los investigadores han embotado los valles entre las pirámides a lo largo de los bordes de la oblea con una solución de fluoruro de hidrógeno (HF) para redondear los valles y hacerlos menos afilados. Se utilizó deposición química de vapor para depositar capas de Si:H en ambos lados de la oblea, y los circuitos se serigrafiaron en los dispositivos y se pegaron con pasta de plata. Los lados de las celdas que se esperaba que estuvieran expuestos a la luz solar se recubrieron con una capa antirreflectante para mejorar la eficiencia de captación de luz. [7]
Cuando se aplicaron fuerzas de flexión a la oblea texturizada, tanto las simulaciones COMSOL como las imágenes de microscopía electrónica de transmisión (TEM) in situ mostraron que el agrietamiento comenzó en los valles entre las pirámides. Al despuntar los valles, una prueba de flexión de tres puntos mostró que el desplazamiento vertical de la oblea aumentó y el radio de flexión crítico en el momento de agrietamiento disminuyó de aproximadamente el 74%. Esta mejora en la flexibilidad se verificó mediante simulaciones atomísticas, donde una oblea sin tratar mostró agrietamiento bajo una tensión de carga del 9,3%, y las obleas tratadas duraron hasta el 17,3%. [8]
Un análisis más detallado de la morfología de las obleas romas utilizando un haz de iones enfocado por pasos (FIB) mostró que la superficie de la fractura tenía muchos sitios de escisión y microfisuras, que se propagaban hasta una profundidad crítica debajo de la superficie. Por debajo de esta profundidad, las líneas de bandas de corte secundarias se extienden en direcciones tangenciales desde las grietas originales. Estas características muestran el complejo estado de tensión durante el proceso de craqueo, en el que la escisión inicial consumió una mayor cantidad de energía antes de que se formaran grietas visibles a lo largo de la superficie. [9]
Las imágenes TEM de obleas romas y tradicionales mostraron características de tensión reticular debajo de la superficie de la fractura. Las distorsiones de la red causaron las tensiones, lo que significa que las características residuales se conservaron dentro de las capas atómicas y podrían usarse como indicador del modo de craqueo. El análisis de fase geométrica [10] mostró que las obleas normales exhibían deformación por tracción en la dirección x y deformación por compresión y dilatación en la dirección y, correspondientes a una fractura frágil típica. La oblea roma tenía mayores variaciones de deformación en ambas direcciones, así como una mayor deformación de dilatación. En general, estas características muestran una mayor expansión de la red y que el embotamiento de las obleas mitigó las características frágiles del c-Si.
La celda flexible exhibió una eficiencia del 24,5%. Para probar su rendimiento, la celda se dobló de esquina a esquina 1.000 veces y se mantuvo durante al menos 10 segundos. Una vez completados los ciclos, se conservaron el 100% de los valores de rendimiento iniciales. Otras pruebas incluyen simulación de viento y exposición a temperaturas extremas. En estas pruebas, las células solares mostraron una pérdida de energía insignificante, lo que demuestra que aún podían funcionar a pesar de factores externos negativos. [11]
En los paneles solares convencionales, las estructuras de soporte del panel, como vidrio, soportes, etc., suelen costar el doble que los materiales fotovoltaicos fabricados con ellos. Soluciones alternativas y sustratos creativos para células solares pueden mitigar estos costos.
Si estas células solares logran alcanzar una madurez tecnológica suficiente, podrán utilizarse como papel de pared y cortinas para ventanas para producir electricidad a partir de la iluminación de las habitaciones. También se pueden fabricar en ropa, que a su vez se puede utilizar para cargar dispositivos electrónicos portátiles como teléfonos móviles y reproductores multimedia. [1]
Los módulos solares flexibles se pueden utilizar en tejados curvos o en tejados donde no tiene sentido instalar un sistema de montaje en bastidor. Además, se pueden instalar en las paredes de los edificios para hacer que la energía solar sea una opción viable en áreas donde el terreno o los tejados no pueden instalar energía solar.
Para durar más de 20 años al aire libre expuestos a los elementos, dichas células solares deben tener un acabado con una lámina frontal de un fluoropolímero resistente a los rayos UV o una olefina termoplástica en lugar del vidrio utilizado en las células solares convencionales, que es comparativamente económico [ cita necesaria ] . Las células solares deben sellarse para que el agua y el oxígeno no puedan entrar y destruir las células mediante degradación oxidativa.
