Una célula solar o célula fotovoltaica ( célula PV ) es un dispositivo electrónico que convierte la energía de la luz directamente en electricidad mediante el efecto fotovoltaico . [1] Es una forma de célula fotoeléctrica , un dispositivo cuyas características eléctricas (como corriente , voltaje o resistencia ) varían cuando se expone a la luz. Los dispositivos de células solares individuales son a menudo los componentes eléctricos de los módulos fotovoltaicos , conocidos coloquialmente como "paneles solares". La célula solar de silicio de unión simple común puede producir un voltaje máximo en circuito abierto de aproximadamente 0,5 a 0,6 voltios . [2]
Las células fotovoltaicas pueden funcionar bajo la luz solar o artificial. Además de producir energía, se pueden utilizar como fotodetectores (por ejemplo, detectores de infrarrojos ), detectando luz u otra radiación electromagnética cerca del rango visible o midiendo la intensidad de la luz.
El funcionamiento de una célula fotovoltaica requiere tres atributos básicos:
Por el contrario, un colector solar térmico suministra calor absorbiendo la luz solar , con el fin de calentar directamente o generar energía eléctrica indirecta a partir del calor. Una "célula fotoelectrolítica" ( célula fotoelectroquímica ), por otra parte, se refiere a un tipo de célula fotovoltaica (como la desarrollada por Edmond Becquerel y las modernas células solares sensibilizadas con colorantes ), o a un dispositivo que descompone el agua directamente en hidrógeno y oxígeno utilizando únicamente iluminación solar.
Las células fotovoltaicas y los colectores solares son los dos medios para producir energía solar .
Los conjuntos de células solares se utilizan para fabricar módulos solares que generan energía eléctrica a partir de la luz solar , a diferencia de un "módulo solar térmico" o "panel solar de agua caliente". Un panel solar genera energía solar utilizando energía solar .
La aplicación de células solares como fuente de energía alternativa para aplicaciones vehiculares es una industria en crecimiento. Los vehículos eléctricos que funcionan con energía solar y/o luz solar se denominan comúnmente coches solares. [ cita necesaria ] Estos vehículos utilizan paneles solares para convertir la luz absorbida en energía eléctrica que luego se almacena en baterías . [ cita necesaria ] Existen múltiples factores de entrada que afectan la potencia de salida de las células solares, como la temperatura , las propiedades del material, las condiciones climáticas, la irradiancia solar y más. [3]
El primer ejemplo de células fotovoltaicas en aplicaciones vehiculares se produjo a mediados del siglo XX. En un esfuerzo por aumentar la publicidad y la concienciación sobre el transporte impulsado por energía solar, Hans Tholstrup decidió crear la primera edición del World Solar Challenge en 1987. [ cita necesaria ] Era una carrera de 3000 km a través del interior de Australia donde competidores de grupos de investigación de la industria y Se invitó a competir a las mejores universidades de todo el mundo. [ cita necesaria ] General Motors terminó ganando el evento por un margen significativo con su vehículo Sunraycer que alcanzó velocidades de más de 40 mph. [ cita necesaria ] Contrariamente a la creencia popular, los automóviles que funcionan con energía solar son uno de los vehículos de energía alternativa más antiguos. [4]
Los vehículos solares actuales aprovechan la energía del Sol a través de paneles solares , que son un grupo de células solares que trabajan en conjunto hacia un objetivo común. [5] Estos dispositivos de estado sólido utilizan transiciones mecánicas cuánticas para convertir una cantidad determinada de energía solar en energía eléctrica. [5] La electricidad producida como resultado se almacena en la batería del vehículo para hacer funcionar el motor del vehículo. [5] Las baterías de los vehículos que funcionan con energía solar se diferencian de las de los automóviles ICE estándar porque están diseñadas de manera que impartan más energía a los componentes eléctricos del vehículo durante más tiempo. [ cita necesaria ]
Múltiples células solares en un grupo integrado, todas orientadas en un mismo plano, constituyen un panel o módulo solar fotovoltaico . Los módulos fotovoltaicos suelen tener una lámina de vidrio en el lado que da al sol, lo que permite el paso de la luz y al mismo tiempo protege las obleas semiconductoras . Las células solares suelen estar conectadas en serie creando un voltaje aditivo. La conexión de celdas en paralelo produce una corriente más alta.
Sin embargo, los problemas en las celdas en paralelo, como los efectos de sombra, pueden apagar la cadena paralela más débil (menos iluminada) (una cantidad de celdas conectadas en serie), causando una pérdida sustancial de energía y posibles daños debido a la polarización inversa aplicada a las celdas en sombra por sus socios iluminados. . [ cita necesaria ]
Aunque los módulos se pueden interconectar para crear una matriz con la tensión CC máxima deseada y la capacidad de corriente de carga, lo que se puede hacer con o sin el uso de MPPT ( seguidores de punto de máxima potencia ) independientes o, específico para cada módulo, con o sin electrónica de potencia a nivel de módulo. (MLPE) como microinversores u optimizadores DC-DC . Los diodos en derivación pueden reducir la pérdida de energía por sombra en conjuntos con celdas conectadas en serie/paralelo.
Para 2020, el costo por vatio de un sistema a gran escala en Estados Unidos había disminuido a 0,94 dólares. [8]
El efecto fotovoltaico fue demostrado experimentalmente por primera vez por el físico francés Edmond Becquerel . En 1839, a los 19 años, construyó la primera célula fotovoltaica del mundo en el laboratorio de su padre. Willoughby Smith describió por primera vez el "efecto de la luz sobre el selenio durante el paso de una corriente eléctrica" en una edición del 20 de febrero de 1873 de Nature . En 1883, Charles Fritts construyó la primera célula fotovoltaica de estado sólido recubriendo el semiconductor selenio con una fina capa de oro para formar las uniones; el dispositivo tenía solo alrededor del 1% de eficiencia. [9] Otros hitos incluyen:
Las células solares se utilizaron por primera vez en una aplicación destacada cuando se propusieron y volaron en el satélite Vanguard en 1958, como fuente de energía alternativa a la fuente de energía de la batería primaria . Al agregar células al exterior del cuerpo, el tiempo de la misión podría extenderse sin cambios importantes en la nave espacial o sus sistemas de energía. En 1959, Estados Unidos lanzó el Explorer 6 , que presentaba grandes paneles solares en forma de alas, que se convirtieron en una característica común en los satélites. Estos conjuntos constaban de 9.600 células solares Hoffman .
En la década de 1960, las células solares eran (y siguen siendo) la principal fuente de energía para la mayoría de los satélites en órbita terrestre y para varias sondas del sistema solar, ya que ofrecían la mejor relación potencia-peso . Sin embargo, este éxito fue posible porque en la aplicación espacial, los costos del sistema de energía podían ser altos, porque los usuarios del espacio tenían pocas otras opciones de energía y estaban dispuestos a pagar por las mejores celdas posibles. El mercado de la energía espacial impulsó el desarrollo de mayores eficiencias en las células solares hasta que el programa "Investigación Aplicada a las Necesidades Nacionales" de la Fundación Nacional de Ciencias comenzó a impulsar el desarrollo de células solares para aplicaciones terrestres.
A principios de la década de 1990, la tecnología utilizada para las células solares espaciales se separó de la tecnología de silicio utilizada para los paneles terrestres, y la aplicación de las naves espaciales pasó a materiales semiconductores III-V basados en arseniuro de galio , que luego evolucionaron hasta convertirse en las modernas células fotovoltaicas multiunión III-V utilizadas . en naves espaciales.
En los últimos años, la investigación se ha orientado hacia el diseño y fabricación de células solares ligeras, flexibles y altamente eficientes. La tecnología de células solares terrestres generalmente utiliza células fotovoltaicas laminadas con una capa de vidrio para mayor resistencia y protección. Las aplicaciones espaciales de las células solares requieren que las células y los conjuntos sean altamente eficientes y extremadamente livianos. Algunas tecnologías más nuevas implementadas en satélites son las células fotovoltaicas de uniones múltiples, que se componen de diferentes uniones PN con diferentes bandas prohibidas para utilizar un espectro más amplio de la energía solar. Además, los grandes satélites requieren el uso de grandes paneles solares para producir electricidad. Estos paneles solares deben descomponerse para adaptarse a las limitaciones geométricas del vehículo de lanzamiento en el que viaja el satélite antes de ser puesto en órbita. Históricamente, las células solares de los satélites consistían en varios pequeños paneles terrestres plegados. Estos pequeños paneles se desplegarían en un panel grande una vez que el satélite se haya desplegado en su órbita. Los satélites más nuevos pretenden utilizar paneles solares enrollables flexibles que son muy livianos y pueden empaquetarse en un volumen muy pequeño. El menor tamaño y peso de estos conjuntos flexibles reduce drásticamente el costo total de lanzar un satélite debido a la relación directa entre el peso de la carga útil y el costo de lanzamiento de un vehículo de lanzamiento. [19]
En 2020, el Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. realizó su primera prueba de generación de energía solar en un satélite, el experimento del Módulo de Antena de Radiofrecuencia Fotovoltaica (PRAM) a bordo del Boeing X-37 . [20] [21]
Las mejoras fueron graduales durante la década de 1960. Esta fue también la razón por la que los costos siguieron siendo altos, porque los usuarios del espacio estaban dispuestos a pagar por las mejores celdas posibles, sin dejar motivos para invertir en soluciones menos eficientes y de menor costo. El precio lo determinaba en gran medida la industria de los semiconductores ; su paso a los circuitos integrados en la década de 1960 condujo a la disponibilidad de bolas más grandes a precios relativos más bajos. A medida que su precio cayó, también lo hizo el precio de las células resultantes. Estos efectos redujeron los costos de las celdas de 1971 a unos 100 dólares por vatio. [22]
A finales de 1969, Elliot Berman se unió al grupo de trabajo de Exxon que buscaba proyectos para 30 años en el futuro y en abril de 1973 fundó Solar Power Corporation (SPC), una subsidiaria de propiedad total de Exxon en ese momento. [23] [24] [25] El grupo había llegado a la conclusión de que la energía eléctrica sería mucho más cara en el año 2000 y consideraba que este aumento de precio haría que las fuentes de energía alternativas fueran más atractivas. Realizó un estudio de mercado y concluyó que un precio por vatio de aproximadamente 20 dólares por vatio crearía una demanda significativa. [23] El equipo eliminó los pasos de pulir las obleas y recubrirlas con una capa antirreflectante, basándose en la superficie de la oblea aserrada en bruto. El equipo también reemplazó los costosos materiales y el cableado manual utilizado en aplicaciones espaciales con una placa de circuito impreso en la parte posterior, plástico acrílico en la parte frontal y pegamento de silicona entre los dos, "encapsulando" las celdas. [26] Las células solares podrían fabricarse utilizando materiales desechados del mercado de la electrónica. En 1973 anunciaron un producto y SPC convenció a Tideland Signal para que utilizara sus paneles para alimentar boyas de navegación , inicialmente para la Guardia Costera de EE. UU. [24]
La investigación sobre energía solar para aplicaciones terrestres se hizo prominente en la División de Investigación y Desarrollo de Energía Solar Avanzada de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. dentro del programa "Investigación Aplicada a las Necesidades Nacionales", que se desarrolló entre 1969 y 1977, [27] y financió investigaciones sobre el desarrollo de energía solar. para sistemas de energía eléctrica terrestre. Una conferencia de 1973, la "Conferencia Cherry Hill", estableció los objetivos tecnológicos necesarios para lograr este objetivo y esbozó un proyecto ambicioso para lograrlos, dando inicio a un programa de investigación aplicada que continuaría durante varias décadas. [28] El programa finalmente pasó a manos de la Administración de Investigación y Desarrollo Energético (ERDA), [29] que más tarde se fusionó con el Departamento de Energía de Estados Unidos .
Después de la crisis del petróleo de 1973 , las compañías petroleras utilizaron sus mayores ganancias para iniciar (o comprar) empresas solares y fueron durante décadas los mayores productores. Exxon, ARCO, Shell, Amoco (luego comprada por BP) y Mobil tuvieron importantes divisiones solares durante las décadas de 1970 y 1980. También participaron empresas de tecnología, entre ellas General Electric, Motorola, IBM, Tyco y RCA. [30]
Ajustando la inflación, a mediados de la década de 1970 un módulo solar costaba 96 dólares por vatio. Las mejoras en los procesos y un gran impulso en la producción han reducido esa cifra en más del 99%, a 30 centavos por vatio en 2018 [33] y tan solo 20 centavos por vatio en 2020. [34] La ley de Swanson es una observación similar a Ley de Moore que establece que los precios de las células solares caen un 20% por cada duplicación de la capacidad de la industria. Apareció en un artículo del semanario británico The Economist a finales de 2012. [35] El equilibrio de los costes del sistema era entonces mayor que el de los paneles. A partir de 2018, se podrían construir grandes conjuntos comerciales a menos de 1,00 dólares el vatio, en pleno funcionamiento. [8]
A medida que la industria de los semiconductores pasó a utilizar bolas cada vez más grandes , los equipos más antiguos se volvieron baratos. El tamaño de las celdas creció a medida que los equipos estuvieron disponibles en el mercado excedente; Los paneles originales de ARCO Solar utilizaban celdas de 2 a 4 pulgadas (50 a 100 mm) de diámetro. Los paneles de la década de 1990 y principios de la de 2000 generalmente utilizaban obleas de 125 mm; Desde 2008, casi todos los paneles nuevos utilizan celdas de 156 mm. La introducción generalizada de televisores de pantalla plana a finales de los años 1990 y principios de los 2000 llevó a una amplia disponibilidad de láminas de vidrio grandes y de alta calidad para cubrir los paneles.
Durante la década de 1990, las células de polisilicio ("poli") se hicieron cada vez más populares. Estas células ofrecen menos eficiencia que sus contrapartes de monosilicio ("mono"), pero se cultivan en grandes cubas que reducen el costo. A mediados de la década de 2000, el poli era dominante en el mercado de paneles de bajo costo, pero más recientemente el mono volvió a tener un uso generalizado.
Los fabricantes de células basadas en obleas respondieron a los altos precios del silicio en 2004-2008 con rápidas reducciones en el consumo de silicio. En 2008, según Jef Poortmans, director del departamento orgánico y solar de IMEC , las células actuales utilizan de 8 a 9 gramos (0,28 a 0,32 onzas) de silicio por vatio de generación de energía, con espesores de oblea de alrededor de 200 micrones . Los paneles de silicio cristalino dominan los mercados mundiales y se fabrican principalmente en China y Taiwán. A finales de 2011, una caída en la demanda europea hizo caer los precios de los módulos solares cristalinos a alrededor de 1,09 dólares [36] por vatio, una fuerte caída desde 2010. Los precios continuaron cayendo en 2012, alcanzando 0,62 dólares/vatio en el 4T2012. [37]
La energía solar fotovoltaica está creciendo más rápidamente en Asia, y actualmente China y Japón representan la mitad del despliegue mundial . [38] La capacidad fotovoltaica instalada mundial alcanzó al menos 301 gigavatios en 2016 y creció hasta suministrar el 1,3% de la energía mundial en 2016. [39]
Se anticipó que la electricidad procedente de energía fotovoltaica será competitiva con respecto a los costes mayoristas de electricidad en toda Europa y que el tiempo de recuperación de la energía de los módulos de silicio cristalino podrá reducirse a menos de 0,5 años para 2020. [40]
La caída de los costos se considera uno de los factores más importantes en el rápido crecimiento de la energía renovable: el costo de la electricidad solar fotovoltaica cayó aproximadamente un 85 % entre 2010 (cuando la energía solar y la eólica representaban el 1,7 % de la generación eléctrica mundial) y 2021 (donde representó el 8,7%). [41] En 2019, las células solares representaron ~3 % de la generación de electricidad mundial. [42]
Las tarifas de alimentación específicas para energía solar varían según el país y dentro de cada país. Estas tarifas fomentan el desarrollo de proyectos de energía solar. La paridad generalizada de la red , el punto en el que la electricidad fotovoltaica es igual o más barata que la energía de la red sin subsidios, probablemente requiera avances en los tres frentes. Los defensores de la energía solar esperan lograr la paridad de red primero en áreas con abundante sol y altos costos de electricidad, como California y Japón . [43] En 2007, BP reclamó paridad de red para Hawái y otras islas que de otro modo utilizarían combustible diésel para producir electricidad. George W. Bush fijó el año 2015 como fecha para la paridad de red en Estados Unidos. [44] [45] La Asociación Fotovoltaica informó en 2012 que Australia había alcanzado la paridad de red (ignorando las tarifas de alimentación). [46]
El precio de los paneles solares cayó constantemente durante 40 años, lo que se vio interrumpido en 2004, cuando los altos subsidios en Alemania aumentaron drásticamente la demanda allí y aumentaron considerablemente el precio del silicio purificado (que se utiliza en chips de computadora y paneles solares). La recesión de 2008 y el inicio de la actividad manufacturera china provocaron que los precios reanudaran su caída. En los cuatro años posteriores a enero de 2008, los precios de los módulos solares en Alemania cayeron de 3 euros a 1 euro por vatio pico. Durante ese mismo tiempo, la capacidad de producción aumentó con un crecimiento anual de más del 50%. China aumentó su cuota de mercado del 8% en 2008 a más del 55% en el último trimestre de 2010. [47] En diciembre de 2012, el precio de los paneles solares chinos había caído a 0,60 dólares/Wp (módulos cristalinos). [48] (La abreviatura Wp significa capacidad máxima en vatios, o la capacidad máxima en condiciones óptimas. [49] )
A finales de 2016, se informó que los precios al contado de los paneles solares ensamblados (no de las células) habían caído a un mínimo histórico de 0,36 dólares EE.UU./Wp. El segundo proveedor más grande, Canadian Solar Inc., había informado costos de 0,37 dólares EE.UU./Wp en el tercer trimestre de 2016, después de haber bajado 0,02 dólares con respecto al trimestre anterior y, por lo tanto, probablemente todavía estaba al menos en el punto de equilibrio. Muchos productores esperaban que los costos cayeran a alrededor de 0,30 dólares para fines de 2017. [50] También se informó que las nuevas instalaciones solares eran más baratas que las plantas de energía térmica a base de carbón en algunas regiones del mundo, y se esperaba que esto aumentara. como en la mayor parte del mundo en una década. [51]
Una célula solar está hecha de materiales semiconductores , como el silicio , que se han fabricado en una unión p-n . Estas uniones se realizan dopando un lado del dispositivo de tipo p y el otro de tipo n, por ejemplo en el caso del silicio, introduciendo pequeñas concentraciones de boro o fósforo respectivamente.
Durante el funcionamiento, los fotones de la luz solar inciden en la célula solar y son absorbidos por el semiconductor. Cuando los fotones son absorbidos, los electrones se excitan desde la banda de valencia a la banda de conducción (o desde orbitales moleculares ocupados a desocupados en el caso de una célula solar orgánica ), produciendo pares electrón-hueco . Si los pares electrón-hueco se crean cerca de la unión entre materiales tipo p y tipo n, el campo eléctrico local los separa hacia electrodos opuestos, produciendo un exceso de electrones en un lado y un exceso de agujeros en el otro. Cuando la célula solar está desconectada (o la carga eléctrica externa es muy alta), los electrones y los huecos finalmente restablecerán el equilibrio difundiéndose nuevamente a través de la unión contra el campo y recombinándose entre sí emitiendo calor, pero si la carga es lo suficientemente pequeña, entonces Es más fácil restablecer el equilibrio gracias al exceso de electrones que circulan por el circuito externo, realizando un trabajo útil a lo largo del camino.
Un conjunto de células solares convierte la energía solar en una cantidad utilizable de electricidad de corriente continua (CC). Un inversor puede convertir la energía a corriente alterna (CA).
La célula solar más conocida está configurada como una unión p-n de gran superficie hecha de silicio. Otros posibles tipos de células solares son células solares orgánicas, células solares sensibilizadas con colorantes, células solares de perovskita, células solares de puntos cuánticos, etc. El lado iluminado de una célula solar generalmente tiene una película conductora transparente para permitir que la luz entre en el material activo y se recoja. los portadores de carga generados. Normalmente, para este fin se utilizan películas con alta transmitancia y alta conductancia eléctrica, como óxido de indio y estaño , polímeros conductores o redes de nanocables conductores. [52]
La eficiencia de las células solares se puede dividir en eficiencia de reflectancia, eficiencia termodinámica, eficiencia de separación de portadores de carga y eficiencia conductiva. La eficiencia general es el producto de estas métricas individuales.
La eficiencia de conversión de energía de una célula solar es un parámetro que se define por la fracción de energía incidente convertida en electricidad. [53]
Una célula solar tiene una curva de eficiencia dependiente del voltaje, coeficientes de temperatura y ángulos de sombra permitidos.
Debido a la dificultad de medir estos parámetros directamente, se sustituyen por otros parámetros: eficiencia termodinámica, eficiencia cuántica , eficiencia cuántica integrada , relación V OC y factor de llenado. Las pérdidas por reflectancia son una parte de la eficiencia cuántica bajo " eficiencia cuántica externa ". Las pérdidas por recombinación constituyen otra parte de la eficiencia cuántica, la relación V OC y el factor de llenado. Las pérdidas resistivas se clasifican predominantemente en el factor de llenado, pero también constituyen porciones menores de la eficiencia cuántica, relación V OC .
El factor de llenado es la relación entre la potencia máxima real obtenible y el producto del voltaje de circuito abierto y la corriente de cortocircuito . Este es un parámetro clave en la evaluación del desempeño. En 2009, las células solares comerciales típicas tenían un factor de llenado > 0,70. Las células de grado B generalmente estaban entre 0,4 y 0,7. [54] Las celdas con un factor de llenado alto tienen una resistencia en serie equivalente baja y una resistencia en derivación equivalente alta , por lo que menos corriente producida por la celda se disipa en pérdidas internas.
Los dispositivos de silicio cristalino de unión p-n única se están acercando al límite teórico de eficiencia energética del 33,16%, [55] denominado límite de Shockley-Queisser en 1961. En el extremo, con un número infinito de capas, el límite correspondiente es del 86%. utilizando luz solar concentrada. [56]
En 2014, tres empresas batieron el récord del 25,6% para una célula solar de silicio. El de Panasonic fue el más eficiente. La empresa movió los contactos frontales a la parte trasera del panel, eliminando las áreas sombreadas. Además, aplicaron finas películas de silicio en la parte delantera y trasera de la oblea (silicona de alta calidad) para eliminar defectos en la superficie de la oblea o cerca de ella. [57]
En 2015, una célula solar GaInP/GaAs//GaInAsP/GaInAs de 4 uniones logró un nuevo récord de eficiencia de laboratorio del 46,1% (relación de concentración de luz solar = 312) en una colaboración franco-alemana entre el Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (Fraunhofer ISE) , CEA-LETI y SOITEC. [58]
En septiembre de 2015, Fraunhofer ISE anunció el logro de una eficiencia superior al 20 % para las células de oblea epitaxiales . El trabajo de optimización de la cadena de producción en línea por deposición química de vapor a presión atmosférica (APCVD) se realizó en colaboración con NexWafe GmbH, una empresa escindida de Fraunhofer ISE para comercializar la producción. [59] [60]
Para las células solares de película delgada de triple unión, el récord mundial es del 13,6%, establecido en junio de 2015. [61]
En 2016, los investigadores del Fraunhofer ISE anunciaron una célula solar de triple unión GaInP/GaAs/Si con dos terminales que alcanzaba una eficiencia del 30,2 % sin concentración. [62]
En 2017, un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL), EPFL y CSEM ( Suiza ) informaron eficiencias récord de un solo sol del 32,8% para dispositivos de células solares GaInP/GaAs de doble unión. Además, el dispositivo de doble unión se apiló mecánicamente con una célula solar de Si, para lograr una eficiencia récord de un solo sol del 35,9% para las células solares de triple unión. [63]
Las células solares suelen recibir el nombre del material semiconductor del que están hechas. Estos materiales deben tener ciertas características para poder absorber la luz solar . Algunas células están diseñadas para soportar la luz solar que llega a la superficie de la Tierra, mientras que otras están optimizadas para su uso en el espacio . Las células solares pueden estar hechas de una sola capa de material absorbente de luz ( unión única ) o utilizar múltiples configuraciones físicas ( uniones múltiples ) para aprovechar diversos mecanismos de absorción y separación de carga.
Las células solares se pueden clasificar en células de primera, segunda y tercera generación. Las células de primera generación, también llamadas convencionales, tradicionales o de oblea , están hechas de silicio cristalino , la tecnología fotovoltaica comercialmente predominante, que incluye materiales como el polisilicio y el silicio monocristalino . Las células de segunda generación son células solares de película delgada , que incluyen células de silicio amorfo , CdTe y CIGS y son comercialmente importantes en centrales fotovoltaicas de gran escala , en edificios fotovoltaicos integrados o en pequeños sistemas de energía independientes . La tercera generación de células solares incluye una serie de tecnologías de película delgada a menudo descritas como energía fotovoltaica emergente; la mayoría de ellas aún no se han aplicado comercialmente y aún se encuentran en la fase de investigación o desarrollo. Muchos utilizan materiales orgánicos, a menudo compuestos organometálicos , así como sustancias inorgánicas. A pesar de que su eficiencia había sido baja y la estabilidad del material absorbente era a menudo demasiado corta para aplicaciones comerciales, se están investigando estas tecnologías, ya que prometen lograr el objetivo de producir células solares de alta eficiencia y bajo costo. [65] A partir de 2016, las células solares más populares y eficientes eran las hechas de finas obleas de silicio, que también son la tecnología de células solares más antigua. [66]
Con diferencia, el material a granel más frecuente para las células solares es el silicio cristalino (c-Si), también conocido como "silicio de grado solar". [67] El silicio a granel se separa en múltiples categorías según la cristalinidad y el tamaño del cristal en el lingote , cinta u oblea resultante . Estas células se basan completamente en el concepto de unión p-n . Las células solares de c-Si se fabrican a partir de obleas de entre 160 y 240 micrómetros de espesor.
Las células solares de silicio monocristalino (mono-Si) presentan una composición monocristalina que permite que los electrones se muevan más libremente que en una configuración multicristalina. En consecuencia, los paneles solares monocristalinos ofrecen una mayor eficiencia que sus homólogos multicristalinos. [68] Las esquinas de las celdas parecen recortadas, como un octágono, porque el material de la oblea se corta a partir de lingotes cilíndricos, que generalmente se cultivan mediante el proceso de Czochralski . Los paneles solares que utilizan células mono-Si muestran un patrón distintivo de pequeños diamantes blancos.
Las obleas epitaxiales de silicio cristalino pueden cultivarse sobre una oblea "semilla" de silicio monocristalino mediante deposición química de vapor (CVD), y luego separarse como obleas autoportantes de algún espesor estándar (por ejemplo, 250 µm) que pueden manipularse a mano, y sustituido directamente por células de oblea cortadas a partir de lingotes de silicio monocristalino. Las células solares fabricadas con esta técnica " sin cortes " pueden tener eficiencias cercanas a las de las células cortadas en obleas, pero a un coste apreciablemente menor si el CVD se puede realizar a presión atmosférica en un proceso en línea de alto rendimiento. [59] [60] La superficie de las obleas epitaxiales puede tener textura para mejorar la absorción de la luz. [69] [70]
En junio de 2015, se informó que las células solares de heterounión cultivadas epitaxialmente en obleas de silicio monocristalino de tipo n habían alcanzado una eficiencia del 22,5% sobre un área celular total de 243,4 cm . [71]
Las células de silicio policristalino o silicio multicristalino (multi-Si) están hechas de lingotes cuadrados fundidos: grandes bloques de silicio fundido cuidadosamente enfriados y solidificados. Están formados por pequeños cristales que confieren al material su típico efecto de escamas metálicas . Las células de polisilicio son el tipo más común utilizado en la energía fotovoltaica y son menos costosas, pero también menos eficientes, que las fabricadas con silicio monocristalino.
La cinta de silicio es un tipo de silicio policristalino: se forma dibujando películas delgadas y planas a partir de silicio fundido y da como resultado una estructura policristalina. Estas células son más baratas de fabricar que las multi-Si, debido a una gran reducción del desperdicio de silicio, ya que este método no requiere serrar los lingotes . [72] Sin embargo, también son menos eficientes.
Esta forma se desarrolló en la década de 2000 y se introdujo comercialmente alrededor de 2009. También llamado cast-mono, este diseño utiliza cámaras de fundición policristalinas con pequeñas "semillas" de mono material. El resultado es un material monocromático a granel que es policristalino en su exterior. Cuando se cortan para su procesamiento, las secciones internas son células tipo mono de alta eficiencia (pero cuadradas en lugar de "recortadas"), mientras que los bordes exteriores se venden como polietileno convencional. Este método de producción da como resultado células tipo mono a precios similares a los poli. [73]
Las tecnologías de película fina reducen la cantidad de material activo en una célula. La mayoría de los diseños intercalan material activo entre dos paneles de vidrio. Dado que los paneles solares de silicio solo utilizan un panel de vidrio, los paneles de película delgada pesan aproximadamente el doble que los paneles de silicio cristalino, aunque tienen un impacto ecológico menor (determinado a partir del análisis del ciclo de vida ). [74] [75]
El telururo de cadmio es el único material de película delgada que hasta ahora rivaliza con el silicio cristalino en costo/vatio. Sin embargo, el cadmio es muy tóxico y los suministros de telurio ( anión : "telururo") son limitados. El cadmio presente en las células sería tóxico si se liberara. Sin embargo, la liberación es imposible durante el funcionamiento normal de las celdas y es poco probable durante incendios en tejados residenciales. [76] Un metro cuadrado de CdTe contiene aproximadamente la misma cantidad de Cd que una sola batería de níquel-cadmio de celda C , en una forma más estable y menos soluble. [76]
El seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) es un material de banda prohibida directa . Tiene la eficiencia más alta (~20%) entre todos los materiales de película delgada comercialmente importantes (consulte la célula solar CIGS ). Los métodos tradicionales de fabricación implican procesos de vacío que incluyen coevaporación y pulverización catódica. Los desarrollos recientes en IBM y Nanosolar intentan reducir el costo mediante el uso de procesos de solución sin vacío. [77]
Las celdas de película delgada de silicio se depositan principalmente mediante deposición química de vapor (típicamente mejorada con plasma, PE-CVD) a partir de gas silano y gas hidrógeno . Dependiendo de los parámetros de deposición, se puede producir silicio amorfo (a-Si o a-Si:H), silicio protocristalino o silicio nanocristalino (nc-Si o nc-Si:H), también llamado silicio microcristalino. [78]
El silicio amorfo es la tecnología de película fina mejor desarrollada hasta la fecha. Una célula solar de silicio amorfo (a-Si) está hecha de silicio no cristalino o microcristalino. El silicio amorfo tiene una banda prohibida más alta (1,7 eV) que el silicio cristalino (c-Si) (1,1 eV), lo que significa que absorbe la parte visible del espectro solar con más fuerza que la parte infrarroja del espectro con mayor densidad de potencia. La producción de células solares de película fina de a-Si utiliza vidrio como sustrato y deposita una capa muy fina de silicio mediante deposición química de vapor potenciada por plasma (PECVD).
El silicio protocristalino con una fracción de volumen baja de silicio nanocristalino es óptimo para voltajes de circuito abierto altos. [79] El Nc-Si tiene aproximadamente la misma banda prohibida que el c-Si y el nc-Si, y el a-Si se puede combinar ventajosamente en capas delgadas, creando una celda en capas llamada celda en tándem. La celda superior en a-Si absorbe la luz visible y deja la parte infrarroja del espectro para la celda inferior en nc-Si.
El material semiconductor arseniuro de galio (GaAs) también se utiliza para células solares monocristalinas de película delgada. Aunque las células de GaAs son muy caras [ cita necesaria ] , ostentan el récord mundial de eficiencia para una célula solar de unión simple con un 28,8%. [80] Normalmente se fabrica en oblea de silicio cristalino [81] con un factor de relleno del 41% , al pasar al silicio poroso el factor de relleno se puede aumentar al 56% con un costo potencialmente reducido. El uso de material GaAs menos activo mediante la fabricación de nanocables es otra vía potencial para reducir costos. [82] El GaAs se utiliza más comúnmente en células fotovoltaicas multiunión para energía fotovoltaica concentrada (CPV, HCPV) y para paneles solares en naves espaciales , ya que la industria favorece la eficiencia sobre el costo de la energía solar basada en el espacio . Según la literatura anterior y algunos análisis teóricos, existen varias razones por las que el GaAs tiene una eficiencia de conversión de energía tan alta. En primer lugar, la banda prohibida de GaAs es de 1,43 ev, lo que es casi ideal para células solares. En segundo lugar, debido a que el galio es un subproducto de la fundición de otros metales, las celdas de GaAs son relativamente insensibles al calor y pueden mantener una alta eficiencia cuando la temperatura es bastante alta. En tercer lugar, GaAs tiene una amplia gama de opciones de diseño. Al utilizar GaAs como capa activa en una célula solar, los ingenieros pueden tener múltiples opciones de otras capas que pueden generar mejor electrones y huecos en GaAs.
Las células de uniones múltiples constan de múltiples películas delgadas, cada una esencialmente de una célula solar cultivada encima de otra, normalmente utilizando epitaxia metalorgánica en fase de vapor . Cada capa tiene una energía de banda prohibida diferente para permitirle absorber radiación electromagnética en una porción diferente del espectro. Las células multiunión se desarrollaron originalmente para aplicaciones especiales como satélites y exploración espacial , pero ahora se utilizan cada vez más en concentradores fotovoltaicos terrestres (CPV), una tecnología emergente que utiliza lentes y espejos curvos para concentrar la luz solar en pequeñas y altamente eficientes múltiples uniones. células solares. Al concentrar la luz solar hasta mil veces, la energía fotovoltaica de alta concentración (HCPV) tiene el potencial de superar a la energía solar fotovoltaica convencional en el futuro. [83] : 21, 26
Las células solares en tándem basadas en uniones monolíticas, conectadas en serie, de fosfuro de galio indio (GaInP), arseniuro de galio (GaAs) y germanio (Ge) p-n, están aumentando las ventas, a pesar de las presiones de costos. [84] Entre diciembre de 2006 y diciembre de 2007, el costo del galio metálico 4N aumentó de aproximadamente 350 dólares por kg a 680 dólares por kg. Además, los precios del metal germanio han aumentado sustancialmente a 1.000-1.200 dólares por kg este año. Esos materiales incluyen galio (4N, 6N y 7N Ga), arsénico (4N, 6N y 7N) y germanio, crisoles de nitruro de boro pirolítico (pBN) para el crecimiento de cristales y óxido de boro; estos productos son fundamentales para toda la industria de fabricación de sustratos. [ cita necesaria ]
Una celda de triple unión, por ejemplo, puede estar compuesta por los semiconductores: GaAs , Ge y GaInP.
2. [85] Las células solares de GaAs de triple unión fueron utilizadas como fuente de energía por el cuatro veces ganador holandés del World Solar Challenge, Nuna , en 2003, 2005 y 2007, y por los vehículos solares holandeses Solutra (2005) , Twente One (2007) y 21Revolution. (2009). [ cita necesaria ] Los dispositivos de uniones múltiples basados en GaAs son las células solares más eficientes hasta la fecha. El 15 de octubre de 2012, las células metamórficas de triple unión alcanzaron un récord del 44%. [86]
En 2016, se describió un nuevo enfoque para producir obleas fotovoltaicas híbridas que combinan la alta eficiencia de las células solares multiunión III-V con las economías y la gran experiencia asociadas con el silicio. Las complicaciones técnicas involucradas en el crecimiento del material III-V sobre silicio a las altas temperaturas requeridas, un tema de estudio durante unos 30 años, se evitan mediante el crecimiento epitaxial de silicio sobre GaAs a baja temperatura mediante deposición química de vapor mejorada con plasma (PECVD). . [87]
Las células solares de unión simple de Si se han estudiado ampliamente durante décadas y están alcanzando su eficiencia práctica de ~26% en condiciones de 1 sol. [88] Para aumentar esta eficiencia puede ser necesario agregar más celdas con energía de banda prohibida superior a 1,1 eV a la celda de Si, lo que permite convertir fotones de longitud de onda corta para generar voltaje adicional. Una célula solar de doble unión con una banda prohibida de 1,6 a 1,8 eV como célula superior puede reducir la pérdida de termalización, producir una alta eficiencia radiativa externa y lograr eficiencias teóricas superiores al 45%. [89] Se puede fabricar una celda en tándem cultivando las células GaInP y Si. Cultivarlos por separado puede superar el desajuste constante de la red del 4% entre el Si y las capas III-V más comunes que impiden la integración directa en una celda. Por lo tanto, las dos celdas están separadas por un portaobjetos de vidrio transparente para que el desajuste de la red no cause tensión en el sistema. Esto crea una celda con cuatro contactos eléctricos y dos uniones que demostró una eficiencia del 18,1%. Con un factor de llenado (FF) del 76,2 %, la celda inferior de Si alcanza una eficiencia del 11,7 % (± 0,4) en el dispositivo en tándem, lo que resulta en una eficiencia acumulada de la celda en tándem del 29,8 %. [90] Esta eficiencia excede el límite teórico del 29,4% [91] y el valor récord de eficiencia experimental de una célula solar de Si 1 sol, y también es mayor que el dispositivo de GaAs de 1 sol de eficiencia récord. Sin embargo, utilizar un sustrato de GaAs es caro y poco práctico. De ahí que los investigadores intenten crear una célula con dos puntos de contacto eléctrico y una unión, que no necesite un sustrato de GaAs. Esto significa que habrá una integración directa de GaInP y Si.
Las células solares de perovskita son células solares que incluyen un material con estructura de perovskita como capa activa. Más comúnmente, se trata de un material híbrido orgánico-inorgánico a base de estaño o haluro de plomo procesado en solución. Las eficiencias han aumentado de menos del 5 % en su primer uso en 2009 al 25,5 % en 2020, lo que las convierte en una tecnología que avanza muy rápidamente y en un tema candente en el campo de las células solares. [92] Investigadores de la Universidad de Rochester informaron en 2023 que se pueden lograr mejoras adicionales significativas en la eficiencia celular utilizando el efecto Purcell . [93]
También se prevé que las células solares de perovskita sean extremadamente económicas de ampliar, lo que las convierte en una opción muy atractiva para su comercialización. Hasta ahora, la mayoría de los tipos de células solares de perovskita no han alcanzado suficiente estabilidad operativa para ser comercializadas, aunque muchos grupos de investigación están investigando formas de solucionar este problema. [94] Se ha demostrado que la sostenibilidad energética y ambiental de las células solares de perovskita y la perovskita en tándem dependen de las estructuras. [95] [96] [97] Los contactos frontales fotónicos para la gestión de la luz pueden mejorar el rendimiento de las células de perovskita, a través de una absorción de banda ancha mejorada, al tiempo que permiten una mejor estabilidad operativa debido a la protección contra la radiación dañina de alta energía (por encima de lo visible). [98] La inclusión del elemento tóxico plomo en las células solares de perovskita más eficientes es un problema potencial para la comercialización. [99]
Con una parte trasera transparente, las células solares bifaciales pueden absorber la luz tanto de la parte delantera como de la trasera. Por tanto, pueden producir más electricidad que las células solares monofaciales convencionales. La primera patente de células solares bifaciales fue presentada por el investigador japonés Hiroshi Mori, en 1966. [100] Posteriormente, se dice que Rusia fue la primera en implementar células solares bifaciales en su programa espacial en los años 1970. [ cita necesaria ] En 1976, el Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid , inició un programa de investigación para el desarrollo de células solares bifaciales liderado por el Prof. Antonio Luque . Basado en las patentes estadounidenses y españolas de Luque de 1977, se propuso una práctica celda bifacial con una cara frontal como ánodo y una cara posterior como cátodo; en propuestas e intentos informados anteriormente ambas caras eran anódicas y la interconexión entre celdas era complicada y costosa. [101] [102] [103] En 1980, Andrés Cuevas, un estudiante de doctorado en el equipo de Luque, demostró experimentalmente un aumento del 50% en la potencia de salida de las células solares bifaciales, en relación con las monofaciales inclinadas e idénticamente orientadas, cuando se colocaba un fondo blanco. proporcionó. [104] En 1981 se fundó en Málaga la empresa Isofotón para producir las células bifaciales desarrolladas, convirtiéndose así en la primera industrialización de esta tecnología de células fotovoltaicas. Con una capacidad de producción inicial de 300 kW/año de células solares bifaciales, los primeros hitos de la producción de Isofotón fueron la central eléctrica de 20kWp en San Agustín de Guadalix , construida en 1986 para Iberdrola , y una instalación aislada en 1988 también de 20kWp en el pueblo. de Noto Gouye Diama ( Senegal ) financiado por los programas españoles de ayuda y cooperación internacional .
Debido al costo de fabricación reducido, las empresas han comenzado nuevamente a producir módulos bifaciales comerciales desde 2010. En 2017, había al menos ocho fabricantes fotovoltaicos certificados que suministraban módulos bifaciales en América del Norte. La Hoja de Ruta Tecnológica Internacional para la Energía Fotovoltaica (ITRPV) predijo que la cuota de mercado global de la tecnología bifacial se expandirá de menos del 5% en 2016 al 30% en 2027. [105]
Debido al gran interés en la tecnología bifacial, un estudio reciente ha investigado el rendimiento y la optimización de los módulos solares bifaciales en todo el mundo. [106] [107] Los resultados indican que, en todo el mundo, los módulos bifaciales montados en el suelo solo pueden ofrecer una ganancia de ~10% en el rendimiento eléctrico anual en comparación con sus homólogos monofaciales para un coeficiente de albedo del suelo del 25% (típico para concreto y vegetación). cubiertas vegetales). Sin embargo, la ganancia se puede aumentar a ~30% elevando el módulo 1 m sobre el suelo y mejorando el coeficiente de albedo del suelo al 50%. Sol y cols. También derivó un conjunto de ecuaciones empíricas que pueden optimizar analíticamente los módulos solares bifaciales. [106] Además, hay pruebas de que los paneles bifaciales funcionan mejor que los paneles tradicionales en entornos nevados, ya que los bifaciales en seguidores de doble eje generaron un 14% más de electricidad en un año que sus homólogos monofaciales y un 40% durante los meses pico de invierno. [108]
Hay disponible una herramienta de simulación en línea para modelar el rendimiento de módulos bifaciales en cualquier ubicación arbitraria en todo el mundo. También puede optimizar los módulos bifaciales en función del ángulo de inclinación, el ángulo de acimut y la elevación sobre el suelo. [109]
La energía fotovoltaica de banda intermedia en la investigación de células solares proporciona métodos para superar el límite de Shockley-Queisser sobre la eficiencia de una célula. Introduce un nivel de energía de banda intermedia (IB) entre las bandas de valencia y conducción. Teóricamente, la introducción de un IB 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 tanto, la eficiencia. [110]
Luque y Martí derivaron por primera vez un límite teórico para un dispositivo IB con un nivel de energía intermedio utilizando un equilibrio detallado . Asumieron que no se recogieron portadores en el IB y que el dispositivo estaba en plena concentración. Descubrieron que la eficiencia máxima era del 63,2%, para una banda prohibida de 1,95eV con el IB de 0,71eV de la banda de valencia o de conducción. Bajo una sola iluminación solar, la eficiencia límite es del 47%. [111] Se están estudiando varios medios para realizar semiconductores IB con una configuración óptima de 3 bandas prohibidas, concretamente mediante ingeniería de materiales (inclusión controlada de impurezas de nivel profundo o aleaciones altamente no coincidentes) y nanoestructuración (puntos cuánticos en heterocristales anfitriones). ). [112]
En 2014, investigadores del Instituto NanoSystems de California descubrieron que el uso de kesterita y perovskita mejoraba la eficiencia de conversión de energía eléctrica para las células solares. [113]
En diciembre de 2022, se informó que investigadores del MIT habían desarrollado células solares de tela ultraligeras. Estas células ofrecen un peso una centésima parte del de los paneles tradicionales y generan 18 veces más energía por kilogramo. Más delgadas que un cabello humano, estas células se pueden laminar sobre diversas superficies, como velas de barcos, tiendas de campaña, lonas o alas de drones, para ampliar su funcionalidad. Utilizando materiales a base de tinta y técnicas escalables, los investigadores recubren la estructura de la célula solar con tintas electrónicas imprimibles y completan el módulo con electrodos serigrafiados . Probadas en telas de alta resistencia, las células producen 370 vatios por kilogramo, lo que representa una mejora con respecto a las células solares convencionales. [114]
La conversión ascendente de fotones es el proceso de utilizar dos fotones de baja energía ( por ejemplo , infrarrojos) para producir un fotón de mayor energía; La conversión descendente es el proceso de utilizar un fotón de alta energía ( por ejemplo , ultravioleta) para producir dos fotones de menor energía. Cualquiera de estas técnicas podría usarse para producir células solares de mayor eficiencia al permitir que los fotones solares se utilicen de manera más eficiente. La dificultad, sin embargo, es que la eficiencia de conversión de los fósforos existentes que exhiben conversión ascendente o descendente es baja y típicamente es de banda estrecha.
Una técnica de conversión ascendente consiste en incorporar materiales dopados con lantánidos ( Er3+, Yb3+, Ho3+o una combinación), aprovechando su luminiscencia para convertir la radiación infrarroja en luz visible. El proceso de conversión ascendente se produce cuando dos fotones infrarrojos son absorbidos por iones de tierras raras para generar un fotón absorbible (de alta energía). Por ejemplo, el proceso de conversión ascendente de transferencia de energía (ETU), consiste en sucesivos procesos de transferencia entre iones excitados en el infrarrojo cercano. El material del convertidor ascendente podría colocarse debajo de la célula solar para absorber la luz infrarroja que pasa a través del silicio. Los iones útiles se encuentran más comúnmente en estado trivalente. Eh+
Los iones han sido los más utilizados. Eh3+
Los iones absorben la radiación solar alrededor de 1,54 µm. dos er3+
Los iones que han absorbido esta radiación pueden interactuar entre sí mediante un proceso de conversión ascendente. El ion excitado emite luz por encima de la banda prohibida del Si que es absorbida por la célula solar y crea un par electrón-hueco adicional que puede generar corriente. Sin embargo, el aumento de la eficiencia fue pequeño. Además, los vidrios de fluoroindato tienen baja energía de fonones y se han propuesto como una matriz adecuada dopada con Ho.3+
iones. [115]
Las células solares sensibilizadas por tinte (DSSC) están hechas de materiales de bajo costo y no necesitan equipos de fabricación complicados, por lo que pueden fabricarse con el método de bricolaje . A granel, debería ser significativamente menos costoso que los diseños de celdas de estado sólido más antiguos . Las DSSC se pueden diseñar en láminas flexibles y, aunque su eficiencia de conversión es menor que la de las mejores celdas de película delgada , su relación precio/rendimiento puede ser lo suficientemente alta como para permitirles competir con la generación eléctrica de combustibles fósiles .
Normalmente se utiliza un colorante metalorgánico de rutenio (centrado en Ru) como monocapa de material absorbente de luz, que se adsorbe sobre una fina película de dióxido de titanio . La célula solar sensibilizada con colorante depende de esta capa mesoporosa de nanopartículas de dióxido de titanio (TiO 2 ) para amplificar en gran medida el área de superficie (200–300 m 2 /g TiO 2 ).
2, en comparación con aproximadamente 10 m 2 /g de monocristal plano) lo que permite un mayor número de colorantes por área de célula solar (lo que a la larga aumenta la corriente). Los electrones fotogenerados del tinte absorbente de luz se pasan al TiO tipo n.
2y los agujeros son absorbidos por un electrolito en el otro lado del tinte. El circuito se completa con un par redox en el electrolito, que puede ser líquido o sólido. Este tipo de celda permite un uso más flexible de materiales y generalmente se fabrica mediante serigrafía o boquillas ultrasónicas , con el potencial de generar costos de procesamiento más bajos que los utilizados para las celdas solares a granel. Sin embargo, los tintes en estas celdas también sufren degradación bajo el calor y la luz ultravioleta y la carcasa de la celda es difícil de sellar debido a los solventes utilizados en el ensamblaje. Por esta razón, los investigadores han desarrollado células solares de estado sólido sensibilizadas con colorantes que utilizan un electrolito sólido para evitar fugas. [116] El primer envío comercial de módulos solares DSSC se produjo en julio de 2009 desde G24i Innovations. [117]
Las células solares de puntos cuánticos (QDSC) se basan en la célula de Gratzel, o arquitectura de células solares sensibilizadas por colorante , pero emplean nanopartículas semiconductoras de banda prohibida baja , fabricadas con tamaños de cristalitos lo suficientemente pequeños como para formar puntos cuánticos (como CdS , CdSe , Sb 2S3, PbS , etc.), en lugar de colorantes orgánicos u organometálicos como absorbentes de luz. Debido a la toxicidad asociada con los compuestos a base de Cd y Pb, también se están desarrollando una serie de materiales sensibilizadores de QD "verdes" (como CuInS 2, CuInSe 2 y CuInSeS). [118] La cuantificación del tamaño de QD permite ajustar la banda prohibida simplemente cambiando el tamaño de la partícula. También tienen altos coeficientes de extinción y han demostrado la posibilidad de generación de excitones múltiples . [119]
En una QDSC, una capa mesoporosa de nanopartículas de dióxido de titanio forma la columna vertebral de la célula, de forma muy parecida a una DSSC. Este TiO
2Luego, la capa se puede hacer fotoactiva recubriéndola con puntos cuánticos semiconductores mediante deposición en baño químico , deposición electroforética o adsorción y reacción sucesivas de capas iónicas. Luego, el circuito eléctrico se completa mediante el uso de un par redox líquido o sólido . La eficiencia de las QDSC ha aumentado [120] a más del 5%, como se muestra tanto para las celdas de unión líquida [121] como para las de estado sólido, [122] con una eficiencia máxima reportada del 11,91%. [123] En un esfuerzo por disminuir los costos de producción, el grupo de investigación Prashant Kamat [124] demostró una pintura solar hecha con TiO
2y CdSe que se puede aplicar mediante un método de un solo paso a cualquier superficie conductora con eficiencias superiores al 1%. [125] Sin embargo, la absorción de puntos cuánticos (QD) en QDSC es débil a temperatura ambiente. [126] Las nanopartículas plasmónicas se pueden utilizar para abordar la absorción débil de QD (por ejemplo, nanoestrellas). [127] Agregar una fuente de bombeo infrarrojo externo para excitar la transición intrabanda e interbanda de QD es otra solución. [126]
Las células solares orgánicas y las células solares poliméricas se construyen a partir de películas delgadas (normalmente de 100 nm) de semiconductores orgánicos que incluyen polímeros, como el polifenilenvinileno y compuestos de moléculas pequeñas como la ftalocianina de cobre (un pigmento orgánico azul o verde) y fullerenos de carbono y derivados de fullereno, como como PCBM .
Se pueden procesar a partir de una solución líquida, lo que ofrece la posibilidad de un proceso de impresión simple de rollo a rollo, lo que potencialmente conduce a una producción económica a gran escala. Además, estas celdas podrían resultar beneficiosas para algunas aplicaciones donde la flexibilidad mecánica y la desechabilidad son importantes. Sin embargo, la eficiencia actual de las células es muy baja y los dispositivos prácticos son prácticamente inexistentes.
Las eficiencias de conversión de energía logradas hasta la fecha utilizando polímeros conductores son muy bajas en comparación con los materiales inorgánicos. Sin embargo, Konarka Power Plastic alcanzó una eficiencia del 8,3% [128] y las células orgánicas en tándem en 2012 alcanzaron el 11,1%. [ cita necesaria ]
La región activa de un dispositivo orgánico consta de dos materiales, un donante de electrones y un aceptor de electrones. Cuando un fotón se convierte en un par de huecos de electrones, normalmente en el material donante, las cargas tienden a permanecer unidas en forma de excitón , separándose cuando el excitón se difunde hacia la interfaz donante-aceptor, a diferencia de la mayoría de los otros tipos de células solares. Las cortas longitudes de difusión de excitones de la mayoría de los sistemas poliméricos tienden a limitar la eficiencia de dichos dispositivos. Las interfaces nanoestructuradas, a veces en forma de heterouniones masivas, pueden mejorar el rendimiento. [129]
En 2011, investigadores del MIT y del estado de Michigan desarrollaron células solares con una eficiencia energética cercana al 2% y una transparencia al ojo humano superior al 65%, lograda absorbiendo selectivamente las partes ultravioleta e infrarroja cercana del espectro con compuestos de moléculas pequeñas. . [130] [131] Investigadores de UCLA desarrollaron más recientemente una célula solar de polímero análoga, siguiendo el mismo enfoque, que es 70% transparente y tiene una eficiencia de conversión de energía del 4%. [132] [133] [134] Estas celdas livianas y flexibles se pueden producir a granel a bajo costo y podrían usarse para crear ventanas generadoras de energía.
En 2013, los investigadores anunciaron células poliméricas con una eficiencia de alrededor del 3%. Utilizaron copolímeros en bloque , materiales orgánicos autoensamblables que se organizan en capas distintas. La investigación se centró en P3HT-b-PFTBT, que se separa en bandas de unos 16 nanómetros de ancho. [135] [136]
Las células adaptativas cambian sus características de absorción/reflexión dependiendo de las condiciones ambientales. Un material adaptativo responde a la intensidad y al ángulo de la luz incidente. En la parte de la célula donde la luz es más intensa, la superficie celular cambia de reflectante a adaptativa, permitiendo que la luz penetre en la célula. Las otras partes de la célula siguen siendo reflectantes, lo que aumenta la retención de la luz absorbida dentro de la célula. [137]
En 2014 se desarrolló un sistema que combinaba una superficie adaptativa con un sustrato de vidrio que redirige la luz absorbida a un absorbente de luz en los bordes de la lámina. El sistema también incluye una serie de lentes/espejos fijos para concentrar la luz en la superficie adaptable. A medida que avanza el día, la luz concentrada se mueve a lo largo de la superficie de la célula. Esa superficie cambia de reflectante a adaptativa cuando la luz está más concentrada y vuelve a reflectante cuando la luz avanza. [137]
Durante los últimos años, los investigadores han intentado reducir el precio de las células solares y al mismo tiempo maximizar su eficiencia. La célula solar de película delgada es una célula solar rentable de segunda generación con un espesor muy reducido a expensas de la eficiencia de absorción de la luz. Se han realizado esfuerzos para maximizar la eficiencia de absorción de luz con un espesor reducido. El texturizado de superficies es una de las técnicas utilizadas para reducir las pérdidas ópticas y maximizar la absorción de luz. Actualmente, las técnicas de texturizado de superficies en sistemas fotovoltaicos de silicio están llamando mucho la atención. El texturizado de superficies se puede realizar de múltiples formas. El grabado de un sustrato de silicio monocristalino puede producir pirámides de base cuadrada distribuidas aleatoriamente en la superficie utilizando grabadores anisotrópicos. [138] Estudios recientes muestran que las obleas de c-Si podrían grabarse para formar pirámides invertidas a nanoescala. Las células solares de silicio multicristalino, debido a su peor calidad cristalográfica, son menos efectivas que las células solares de cristal único, pero las células solares de mc-Si todavía se utilizan ampliamente debido a sus menores dificultades de fabricación. Se informa que las células solares multicristalinas pueden texturizarse en la superficie para producir una eficiencia de conversión de energía solar comparable a la de las células de silicio monocristalinas, mediante técnicas de grabado isotrópico o fotolitografía. [139] [140] Los rayos de luz incidentes sobre una superficie texturizada no se reflejan en el aire a diferencia de los rayos sobre una superficie plana. Más bien, algunos rayos de luz rebotan nuevamente sobre la otra superficie debido a la geometría de la superficie. Este proceso mejora significativamente la eficiencia de conversión de luz en electricidad, debido a una mayor absorción de luz. Este efecto de textura, así como la interacción con otras interfaces en el módulo fotovoltaico, es una tarea de simulación óptica desafiante. Un método particularmente eficiente para modelar y optimizar es el formalismo OPTOS . [141] En 2012, investigadores del MIT informaron que las películas de c-Si texturizadas con pirámides invertidas a nanoescala podían lograr una absorción de luz comparable a la del c-Si plano 30 veces más grueso. [142] En combinación con un revestimiento antirreflectante , la técnica de texturizado de superficies puede atrapar eficazmente los rayos de luz dentro de una célula solar de silicio de película delgada. En consecuencia, el espesor necesario para las células solares disminuye con la mayor absorción de rayos luminosos.
Las células solares suelen estar encapsuladas en una resina polimérica transparente para proteger las delicadas regiones de las células solares que no entran en contacto con la humedad, la suciedad, el hielo y otras condiciones esperadas durante el funcionamiento o cuando se utilizan en exteriores. Los encapsulantes suelen estar hechos de acetato de polivinilo o vidrio. La mayoría de los encapsulantes son uniformes en estructura y composición, lo que aumenta la captación de luz debido a la captura de luz por la reflexión interna total de la luz dentro de la resina. Se han realizado investigaciones para estructurar el encapsulante para proporcionar una mayor captación de luz. Dichos encapsulantes han incluido superficies de vidrio rugosas, [143] elementos difractivos, [144] conjuntos de prismas, [145] prismas de aire, [146] ranuras en V, [147] elementos difusos, así como conjuntos de guías de ondas multidireccionales. [148] Los conjuntos de prismas muestran un aumento general del 5% en la conversión total de energía solar. [146] Los conjuntos de guías de ondas de banda ancha alineadas verticalmente proporcionan un aumento del 10% en incidencia normal, así como una mejora de la recolección de gran angular de hasta el 4%, [149] con estructuras optimizadas que producen un aumento de hasta el 20% en la corriente de cortocircuito. [150] Los recubrimientos activos que convierten la luz infrarroja en luz visible han mostrado un aumento del 30%. [151] Los recubrimientos de nanopartículas que inducen la dispersión de la luz plasmónica aumentan la eficiencia de conversión de gran angular hasta un 3%. También se han creado estructuras ópticas en materiales de encapsulación para "ocultar" eficazmente los contactos frontales metálicos. [152] [153]
Se están desarrollando nuevos mecanismos de autolimpieza para paneles solares. Por ejemplo, en 2019, mediante nanocables grabados químicamente en húmedo y un recubrimiento hidrófobo en la superficie, las gotas de agua pudieron eliminar el 98% de las partículas de polvo, lo que puede ser especialmente relevante para aplicaciones en el desierto. [154] [155]
En marzo de 2022, investigadores del MIT anunciaron el desarrollo de un sistema de limpieza sin agua para paneles solares y espejos para abordar el problema de la acumulación de polvo, que puede reducir la producción solar hasta en un 30 por ciento en un mes. Este sistema utiliza repulsión electrostática para desprender las partículas de polvo de la superficie del panel, eliminando la necesidad de agua o cepillos. Una carga eléctrica impartida a las partículas de polvo al pasar un electrodo simple sobre el panel hace que sean repelidas por una carga aplicada al propio panel. El sistema se puede automatizar mediante un motor eléctrico básico y carriles guía. [156]
Las células solares comparten algunas de las mismas técnicas de procesamiento y fabricación que otros dispositivos semiconductores. Sin embargo, los estrictos requisitos de limpieza y control de calidad de la fabricación de semiconductores son más relajados para las células solares, lo que reduce los costes.
Las obleas de silicio policristalino se fabrican cortando con alambre lingotes de silicio fundidos en bloques hasta obtener obleas de 180 a 350 micrómetros. Las obleas suelen estar ligeramente dopadas de tipo P. Se realiza una difusión superficial de dopantes tipo n en la parte frontal de la oblea. Esto forma una unión ap-n a unos cientos de nanómetros por debajo de la superficie.
Luego, normalmente se aplican revestimientos antirreflectantes para aumentar la cantidad de luz acoplada a la célula solar. El nitruro de silicio ha reemplazado gradualmente al dióxido de titanio como material preferido debido a sus excelentes cualidades de pasivación superficial. Previene la recombinación de portadores en la superficie celular. Se aplica una capa de varios cientos de nanómetros de espesor mediante deposición química de vapor mejorada con plasma . Algunas células solares tienen superficies frontales texturizadas que, al igual que los revestimientos antirreflectantes, aumentan la cantidad de luz que llega a la oblea. Estas superficies se aplicaron por primera vez al silicio monocristalino y, algo más tarde, al silicio multicristalino.
Se realiza un contacto metálico de área completa en la superficie posterior, y un contacto metálico en forma de rejilla formado por "dedos" finos y "barras colectoras" más grandes se imprime en la superficie frontal utilizando una pasta plateada . Se trata de una evolución del llamado proceso "húmedo" para aplicar electrodos, descrito por primera vez en una patente estadounidense presentada en 1981 por Bayer AG . [157] El contacto trasero se forma serigrafiando una pasta metálica, normalmente aluminio. Por lo general, este contacto cubre toda la parte trasera, aunque algunos diseños emplean un patrón de cuadrícula. Luego, la pasta se cuece a varios cientos de grados Celsius para formar electrodos metálicos en contacto óhmico con el silicio. Algunas empresas utilizan un paso de galvanoplastia adicional para aumentar la eficiencia. Una vez realizados los contactos metálicos, las células solares se interconectan mediante cables planos o cintas metálicas y se ensamblan en módulos o "paneles solares". Los paneles solares tienen una lámina de vidrio templado en la parte frontal y una encapsulación de polímero en la parte posterior.
Los diferentes tipos de fabricación y reciclaje determinan en parte su eficacia para reducir las emisiones y tener un efecto medioambiental positivo. [42] Estas diferencias y eficacia podrían cuantificarse [42] para la producción de los tipos de productos más óptimos para diferentes propósitos en diferentes regiones a lo largo del tiempo.
Laboratorio Nacional de Energías Renovables prueba y valida tecnologías solares. Tres grupos confiables certifican equipos solares: UL e IEEE (ambos estándares estadounidenses) e IEC [ cita necesaria ] .
El Informe especial de 2022 de la AIE destaca el dominio de China sobre la cadena de suministro de energía solar fotovoltaica , con una inversión superior a 50 mil millones de dólares y la creación de alrededor de 300 000 puestos de trabajo desde 2011. China controla más del 80 % de todas las etapas de fabricación de paneles solares. Este control ha reducido drásticamente los costos, pero también ha generado problemas como desequilibrios entre la oferta y la demanda y limitaciones en la producción de polisilicio . Sin embargo, las políticas estratégicas de China han reducido los costos de la energía solar fotovoltaica en más de un 80%, aumentando la asequibilidad global. En 2021, las exportaciones de energía solar fotovoltaica de China superaron los 30.000 millones de dólares. [159]
Cumplir los objetivos globales de energía y clima requiere una importante expansión en la fabricación de energía solar fotovoltaica, con el objetivo de alcanzar más de 630 GW para 2030, según la "Hoja de ruta hacia las emisiones netas cero para 2050" de la AIE. El dominio de China, que controla casi el 95% de los componentes clave de la energía solar fotovoltaica y el 40% de la producción mundial de polisilicio en Xinjiang, plantea riesgos de escasez de suministro y aumento de costos. La demanda de minerales críticos, como la plata, puede superar el 30% de la producción global de 2020 para 2030. [159]
En 2021, la participación de China en la producción de módulos solares fotovoltaicos alcanzó aproximadamente el 70%, un aumento con respecto al 50% en 2010. Otros productores clave fueron Vietnam (5%), Malasia (4%), Corea (4%) y Tailandia (2%). ), con gran parte de su capacidad de producción desarrollada por empresas chinas destinadas a la exportación, especialmente a Estados Unidos. [159]
En septiembre de 2018, el sesenta por ciento de los módulos solares fotovoltaicos del mundo se fabricaban en China. [160] En mayo de 2018, la planta fotovoltaica más grande del mundo se encuentra en el desierto de Tengger en China. [161] En 2018, China añadió más capacidad instalada fotovoltaica (en GW) que los siguientes nueve países juntos. [162] En 2021, la participación de China en la producción de módulos solares fotovoltaicos alcanzó aproximadamente el 70%. [159]
En el primer semestre de 2023, la producción de módulos fotovoltaicos de China superó los 220 GW, lo que supone un aumento de más del 62 % en comparación con el mismo período de 2022. En 2022, China mantuvo su posición como el mayor productor de módulos fotovoltaicos del mundo, con un mercado dominante. participación del 77,8%. [163]
En 2022, Vietnam fue el segundo mayor productor de módulos fotovoltaicos, solo detrás de China, con una capacidad de producción que aumentó a 24,1 GW, lo que supone un importante aumento del 47 % con respecto a los 16,4 GW producidos en 2021. Vietnam representa el 6,4 % de la producción fotovoltaica mundial. . [163]
En 2022, Malasia fue el tercer mayor productor de módulos fotovoltaicos, con una capacidad de producción de 10,8 GW, lo que representa el 2,8% de la producción mundial. Esto lo colocó detrás de China, que dominó con el 77,8%, y Vietnam, que aportó el 6,4%. [163]
La producción de energía solar en EE. UU. se duplicó entre 2013 y 2019. [164] Esto se debió primero a la caída del precio del silicio de calidad, [165] [166] [167] y luego simplemente a la caída global del costo de los módulos fotovoltaicos. [161] [168] En 2018, EE. UU. agregó 10,8 GW de energía solar fotovoltaica instalada, un aumento del 21%. [162]
América Latina : América Latina se ha convertido en una región prometedora para el desarrollo de la energía solar en los últimos años, con más de 10 GW de instalaciones en 2020. El mercado solar en América Latina se ha visto impulsado por la abundancia de recursos solares, la caída de costos, las subastas competitivas y el aumento de la electricidad. demanda. Algunos de los países líderes en energía solar en América Latina son Brasil, México, Chile y Argentina. Sin embargo, el mercado solar en América Latina también enfrenta algunos desafíos, como inestabilidad política, brechas de financiamiento y cuellos de botella en la transmisión de energía. [ cita necesaria ]
Oriente Medio y África : Oriente Medio y África también han experimentado un crecimiento significativo en el despliegue de energía solar en los últimos años, con más de 8 GW de instalaciones en 2020. El mercado solar en Oriente Medio y África se ha visto impulsado por la generación de bajo coste de Se motiva la energía solar, la diversificación de las fuentes de energía, la lucha contra el cambio climático y la electrificación rural. Algunos de los países destacados por la energía solar en Oriente Medio y África son Arabia Saudita, Emiratos Árabes Unidos, Egipto, Marruecos y Sudáfrica. Sin embargo, el mercado solar en Medio Oriente y África también enfrenta varios obstáculos, incluido el malestar social, la incertidumbre regulatoria y las barreras técnicas. [169]
Como muchas otras tecnologías de generación de energía, la fabricación de células solares, especialmente su rápida expansión, tiene muchas implicaciones ambientales y de cadena de suministro. La minería global puede adaptarse y potencialmente expandirse para obtener los minerales necesarios, que varían según el tipo de célula solar. [170] [171] El reciclaje de paneles solares podría ser una fuente de materiales que de otro modo tendrían que extraerse. [42]
Las células solares se degradan con el tiempo y pierden su eficiencia. Las células solares en climas extremos, como el desierto o el polar, son más propensas a degradarse debido a la exposición a la intensa luz ultravioleta y a las cargas de nieve, respectivamente. [172] Por lo general, a los paneles solares se les da una vida útil de 25 a 30 años antes de ser desmantelados. [173]
La Agencia Internacional de Energías Renovables estimó que la cantidad de desechos electrónicos de paneles solares generados en 2016 fue de 43.500 a 250.000 toneladas métricas. Se estima que esta cifra aumentará sustancialmente para 2030, alcanzando un volumen de residuos estimado de 60 a 78 millones de toneladas métricas en 2050. [174]
Las células solares más utilizadas en el mercado son las células solares cristalinas. Un producto es verdaderamente reciclable si se puede volver a cosechar. En el Acuerdo de París de 2016 , 195 países acordaron reducir sus emisiones de carbono desviando su atención de los combustibles fósiles hacia fuentes de energía renovables. Debido a esto, la energía solar contribuirá de manera importante a la generación de electricidad en todo el mundo. Por lo tanto, habrá una gran cantidad de paneles solares que se reciclarán una vez finalizado su ciclo de vida. De hecho, muchos investigadores de todo el mundo han expresado su preocupación por encontrar formas de utilizar las células de silicio después del reciclaje. [175] [176] [177] [178]
Además, estas células tienen elementos/compuestos peligrosos, incluyendo plomo (Pb), cadmio (Cd) o sulfuro de cadmio (CdS), selenio (Se) y bario (Ba) como dopantes, además de los valiosos silicio (Si), aluminio ( Al), plata (Ag) y cobre (Cu). Los elementos/compuestos nocivos, si no se eliminan con la técnica adecuada, pueden tener efectos nocivos graves tanto para la vida humana como para la vida silvestre. [179]
RECICLAJE
Hay varias formas de reciclar el c-Si. Se utilizan principalmente métodos de separación térmica y química. Esto sucede en dos etapas [180]
CONVERSIÓN
Los científicos llevaron a cabo un estudio de investigación para ver con qué eficiencia se fabricaban los paneles solares a partir de nanosilicio e híbridos de nanosilicio/grafito. [179] Las técnicas experimentales consisten en
1. Recuperación de células fotovoltaicas de módulos fotovoltaicos al final de su vida útil : se trata de una técnica patentada en la que los paneles solares se deconstruyen y cada material se limpia por separado.
2. Purificación de células fotovoltaicas rotas : se colocaron 40 g de células fotovoltaicas rotas en una botella de vidrio de 500 ml que contenía KOH (óxido de potasio) al 20 %. El tratamiento térmico de esta solución acuosa se realizó a 80 °C durante 0,5 h. Todo el Al metálico y otras impurezas se disolvieron en una solución de KOH al 20% y el silicio fotovoltaico sólido se depositó como sedimento. El PV sólido se secó al vacío y se obtuvieron 32 g de silicio reciclado de PV libre de impurezas.
3. Conversión de silicio reciclado fotovoltaico purificado en nanosilicio y producción híbrida de nanosilicio/grafito : se utilizó un molino de bolas planetario de gran escala (línea clásica PULVERISETTE P5 5/4). Se cargaron células fotovoltaicas recicladas y silicio libres de impurezas dentro de un recipiente de molienda de acero inoxidable junto con cinco bolas de acero endurecido (diámetro de 25,4 mm). La muestra se molió a una velocidad de rotación de 160 rpm durante 15 h a temperatura ambiente bajo una atmósfera de argón de 300 kPa. Durante la molienda de bolas de alta energía, el tamaño de las partículas se redujo a un nivel nanométrico (<100 nm). Se utilizó el mismo proceso para producir un híbrido fotovoltaico de nano-Si/grafito, excepto el polvo de grafito comercial (Producto-282863, Sigma-Aldrich, polvo <20 μm, sintético) al que se le agregaron ocho bolas de acero endurecido. La mezcla se molió a una velocidad de rotación de 160 rpm durante 20 h a temperatura ambiente bajo una atmósfera de argón de 300 kPa. Se obtuvo un híbrido de PV nano-Si/grafito con una relación en peso de 5% en peso de PV nano-Si y 95% en peso de grafito.
El electrodo fotovoltaico de nano-Si/grafito obtenido mostró una excelente estabilidad cíclica con retención de alta capacidad incluso después de 600 ciclos prolongados. Estos resultados demostraron que el silicio se puede convertir fácilmente en híbridos de nano-Si/grafito y recolectar en módulos fotovoltaicos y puede funcionar con la misma eficiencia que un módulo de c-Si.
DESAFÍOS
Hay muchos módulos fotovoltaicos diferentes en el mercado que tienen diferentes composiciones. Por lo tanto, es difícil tener un proceso de descomposición común de las células fotovoltaicas. Además, los recicladores tienen que realizar controles de calidad, lo que no es posible si hay que reciclar diferentes módulos fotovoltaicos. También existen varias aplicaciones del Si puro fuera de la industria solar y los recicladores podrían verse tentados a vender allí si obtienen un valor más alto por el producto. [181]
Otras preguntas que necesitan respuesta son [182]
La primera planta de reciclaje de paneles solares se inauguró en Rousset, Francia, en 2018. Estaba prevista para reciclar 1.300 toneladas de residuos de paneles solares al año y puede aumentar su capacidad a 4.000 toneladas. [183] [184] [185] Si el reciclaje está impulsado únicamente por los precios basados en el mercado, en lugar de también por las regulaciones ambientales, los incentivos económicos para el reciclaje siguen siendo inciertos y, a partir de 2021, el impacto ambiental de los diferentes tipos de técnicas de reciclaje desarrolladas aún debe determinarse. ser cuantificado. [42]
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