Una célula solar bifacial (BSC) es cualquier célula solar fotovoltaica que puede producir energía eléctrica cuando se ilumina en cualquiera de sus superficies, frontal o posterior. Por el contrario, las células solares monofaciales producen energía eléctrica solo cuando los fotones inciden en su lado frontal. Las células solares bifaciales pueden hacer uso de la radiación de albedo , que es útil para aplicaciones en las que se refleja mucha luz en superficies como los techos. El concepto se introdujo como un medio para aumentar la producción de energía en las células solares. La eficiencia de las células solares, definida como la relación entre la potencia luminosa incidente y la potencia eléctrica generada bajo uno o varios soles (1 sol = 1000 W/m 2 [2] ), se mide de forma independiente para las superficies frontal y posterior de las células solares bifaciales. El factor de bifacialidad (%) se define como la relación entre la eficiencia trasera y la eficiencia delantera sujeta a la misma irradiancia. [3]
La gran mayoría de las células solares actuales están hechas de silicio (Si). El silicio es un semiconductor y como tal, sus electrones externos están en un intervalo de energías llamado banda de valencia y llenan completamente los niveles de energía de esta banda. Por encima de esta banda de valencia hay una banda prohibida, o band gap , de energías dentro de la cual no puede existir ningún electrón, y más arriba, encontramos la banda de conducción . La banda de conducción de los semiconductores está casi vacía de electrones, pero es donde los electrones de la banda de valencia encontrarán alojamiento después de ser excitados por la absorción de fotones. Los electrones excitados tienen más energía que los electrones ordinarios del semiconductor. La conductividad eléctrica del Si, como se ha descrito hasta ahora, llamado silicio intrínseco, es extremadamente pequeña. Introducir impurezas al Si en forma de átomos de fósforo proporcionará electrones adicionales ubicados en la banda de conducción, haciendo que el Si sea de tipo n , con una conductividad que se puede diseñar modificando la densidad de átomos de fósforo . Alternativamente, la impurificación con átomos de boro o aluminio produce el Si de tipo p , con una conductividad que también se puede modificar mediante ingeniería. Estos átomos de impureza recuperan electrones de la banda de valencia dejando en ella los llamados "huecos", que se comportan como cargas positivas virtuales. [4]
Las células solares de Si suelen estar dopadas con boro, por lo que se comportan como un semiconductor de tipo p y tienen una región superficial de tipo n estrecha (~0,5 micras). Entre la región de tipo p y la región de tipo n se forma la llamada unión pn , en la que se forma un campo eléctrico que separa los electrones y los huecos, los electrones hacia la región de tipo n en la superficie y los huecos hacia la región de tipo p. Bajo iluminación se genera un exceso de pares electrón-hueco, porque se excitan más electrones. Así, se genera una fotocorriente, que es extraída por contactos metálicos situados en ambas caras del semiconductor. Los pares electrón-hueco generados por la luz que cae fuera de la unión pn no se separan por el campo eléctrico, y así los pares electrón-hueco acaban recombinándose sin producir una fotocorriente. [4] Los papeles de las regiones p y n en la célula pueden intercambiarse. En consecuencia, una célula solar monofacial produce fotocorriente sólo si se ilumina la cara donde se ha formado la unión. En cambio, una célula solar bifacial está diseñada de tal manera que producirá una fotocorriente cuando cualquiera de los lados, delantero o trasero, esté iluminado.
Las BSC y los módulos (conjuntos de BSC) se inventaron y produjeron por primera vez para aplicaciones espaciales y terrestres a fines de la década de 1970, y se convirtieron en la tecnología de células solares convencional en la década de 2010. Se prevé que se convertirá en el enfoque líder para la fabricación de células solares fotovoltaicas para 2030 debido a los beneficios demostrados sobre las opciones monofaciales, que incluyen mayor rendimiento, versatilidad y menor impacto de la suciedad. [5]
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Una célula solar de silicio fue patentada por primera vez en 1946 por Russell Ohl cuando trabajaba en Bell Labs y demostrada públicamente por primera vez en la misma institución de investigación por Calvin Fuller , Daryl Chapin y Gerald Pearson en 1954; sin embargo, estas primeras propuestas eran células monofaciales y no diseñadas para tener su cara trasera activa. [6] [7] La primera célula solar bifacial propuesta teóricamente está en una patente japonesa con fecha de prioridad el 4 de octubre de 1960, por Hiroshi Mori, cuando trabajaba para la empresa Hayakawa Denki Kogyo Kabushiki Kaisha (en inglés, Hayakawa Electric Industry Co. Ltd.), que luego se convirtió en la actual Sharp Corporation . [8] La célula propuesta era una estructura pnp de dos uniones con electrodos de contacto unidos a dos bordes opuestos.
Sin embargo, las primeras demostraciones de células solares bifaciales y paneles se llevaron a cabo en el Programa Espacial Soviético en las estaciones espaciales militares LEO Salyut 3 (1974) y Salyut 5 (1976) . Estas células solares bifaciales fueron desarrolladas y fabricadas por Bordina et al. en el VNIIT (Instituto de Investigación Científica de Fuentes de Energía de toda la Unión) en Moscú que en 1975 se convirtió en el fabricante ruso de células solares KVANT. [9] En 1974, este equipo presentó una patente estadounidense en la que se proponían las células con la forma de miniparalelepípedos de tamaño máximo 1 mm × 1 mm × 1 mm conectados en serie de modo que hubiera 100 células/cm 2 . [10] Al igual que en las BSC modernas, propusieron el uso de uniones de isotipo pp + cerca de una de las superficies receptoras de luz. En Salyut 3, los paneles experimentales pequeños con una superficie celular total de 24 cm2 demostraron un aumento en la generación de energía por revolución del satélite debido al albedo de la Tierra de hasta un 34%, en comparación con los paneles monofaciales de ese momento. Se registró un aumento del 17 al 45% debido al uso de paneles bifaciales (0,48 m2 – 40 W) durante el vuelo de la estación espacial Salyut 5. [11] [12]
Simultáneamente a esta investigación rusa, al otro lado del telón de acero , el Laboratorio de Semiconductores de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación de la Universidad Politécnica de Madrid , dirigido por el profesor Antonio Luque , lleva a cabo de forma independiente un amplio programa de investigación que busca el desarrollo de células solares bifaciales industrialmente viables. Mientras que la patente de Mori y los prototipos VNIIT-KVANT transportados por la nave espacial se basaban en diminutas células sin rejilla metálica superficial y por tanto intrincadamente interconectadas, más al estilo de los dispositivos microelectrónicos que estaban en su inicio en ese momento, Luque presentará dos patentes españolas en 1976 y 1977 y una en Estados Unidos en 1977 que fueron precursoras de las bifaciales modernas. [13] [14] [15]
Las patentes de Luque fueron las primeras en proponer BSCs con una celda por oblea de silicio, como ya era y sigue siendo el caso de las celdas monofaciales, con rejillas metálicas en ambas superficies [16] . Consideraron tanto la estructura npp+ como la estructura pnp. El desarrollo de las BSCs en el Laboratorio de Semiconductores se abordó desde una triple perspectiva que dio lugar a tres tesis doctorales, firmadas por Andrés Cuevas (1980), Javier Eguren (1981) y Jesús Sangrador (1982), las dos primeras teniendo como director doctoral a Luque mientras que el Dr. Gabriel Sala, del mismo grupo, dirigió la tercera. La tesis de Cuevas consistió en construir la primera de las patentes de Luque, la de 1976, que por su estructura npn similar a la de un transistor fue bautizada como "transcell". [17] La tesis de Eguren versó sobre la demostración de la 2ª patente de Luque de 1977, con un perfil de dopaje npp + , con la unión isotípica pp + próxima a la superficie trasera de la célula, creando lo que habitualmente se denomina campo de superficie trasera (BSF) en tecnología de células solares. Este trabajo dio lugar a varias publicaciones y patentes adicionales. [18] [19] [20] [21]
En particular, el efecto beneficioso de reducir el p-dopaje en la base, donde la reducción de voltaje en la unión del emisor (unión pn frontal) fue compensada por el aumento de voltaje en la unión isotípica trasera, mientras que al mismo tiempo permitió una mayor longitud de difusión de los portadores minoritarios que aumenta la salida de corriente bajo iluminación bifacial. [22] [23] La tesis de Sangrador y tercera vía de desarrollo en la Universidad Politécnica de Madrid, propuso la llamada célula solar vertical multijuntura iluminada por los bordes en la que p + nn + estaban apilados y conectados en serie e iluminados por sus bordes, siendo estas células de alto voltaje que no requerían una rejilla metálica superficial para extraer la corriente. [24] En 1979 el Laboratorio de Semiconductores se convirtió en el Instituto de Energía Solar (IES-UPM), que teniendo a Luque como primer director, continuó una intensa investigación sobre células solares bifaciales hasta la primera década del siglo XXI, con resultados notables. Por ejemplo, en 1994, dos estudiantes de doctorado brasileños del Instituto de Energía Solar, Adriano Moehlecke e Izete Zanesco, junto con Luque, desarrollaron y produjeron una célula solar bifacial con un rendimiento del 18,1% en la cara frontal y del 19,1% en la cara posterior; una bifacialidad récord del 103% (en ese momento, la eficiencia récord para las células monofaciales estaba ligeramente por debajo del 22%). [25]
De los tres enfoques de desarrollo del BSC llevados a cabo en el Instituto de Energía Solar, fue el de la tesis de Eguren, el npp + , el que dio los mejores resultados. Por otro lado, se encontró que las células solares bifaciales podrían entregar hasta un 59% más de energía anualmente cuando se instalan con una superficie blanca en su parte posterior, lo que mejora la radiación reflejada del sol ( radiación de albedo ) que entra en la cara posterior de las células. [26] [27] Podría haberse esperado que este hallazgo sucediera más fácilmente en España, donde las casas, especialmente las rurales, en el sur, se encalan con frecuencia . Por lo tanto, se fundó una empresa spin-off para fabricar células solares bifaciales y módulos, basados en el desarrollo npp + , para explotar comercialmente su producción de energía mejorada cuando se instalan adecuadamente con superficies de alto albedo detrás, ya sea en el suelo o en las paredes. [28] [29]
Fundada en 1981, se denominó Isofotón (porque sus células utilizaban exclusivamente fotones isótropos) y se estableció en Málaga , la ciudad natal de Luque. Su capital inicial provino de familiares y amigos (por ejemplo, la mayoría de los empleados y el personal de investigación del Instituto de Energía Solar) más algo de capital público de un fondo de desarrollo industrial, SODIAN, propiedad de la Comunidad Autónoma de Andalucía . Partió con 45 accionistas, Luque como primer presidente y codirector general, junto con su hermano Alberto, un experimentado empresario industrial, y contando con Javier Eguren como CTO . Eguren y Sala lideraron la transferencia de tecnología del Instituto de Energía Solar a Isofotón. En 1983, la fábrica de Isofotón en Málaga tenía una capacidad de fabricación de 330 kW/año de módulos bifaciales (con una plantilla neta de 15 personas) en un momento en el que el mercado mundial de la energía fotovoltaica estaba en el rango de los 15 MW. En aquella época, el mercado de plantas fotovoltaicas terrestres, al que Isofotón orientaba su producción, consistía fundamentalmente en proyectos de demostración. [30] Así, primeros hitos de la producción de Isofotón fueron la planta 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 ) financiada por los programas de ayuda y cooperación internacional españoles .
A medida que Isofotón maduraba, su estructura accionarial inicial de individuos fue reemplazada por grandes corporaciones tecnológicas y de ingeniería como Abengoa o Alcatel o bancos como BBVA . Tras la entrada de Alcatel como accionista mayoritario en 1987, se tomó la decisión de cambiar la producción a células fotovoltaicas monofaciales más convencionales, basadas en tecnología licenciada del fabricante fotovoltaico estadounidense Arco Solar, lo que supuso el fin de Isofotón como el primer y hasta entonces único fabricante de células bifaciales del mundo. Sin embargo, Isofotón siguió avanzando con éxito y entre 2000 y 2005 se situó sistemáticamente entre los 10 principales fabricantes fotovoltaicos del mundo. En 2015 se declaró en quiebra cuando, como casi todos los demás fabricantes fotovoltaicos europeos y occidentales de su época, no pudo soportar la presión competitiva de la nueva ola de fabricantes fotovoltaicos chinos.
Además de Isofoton, otros fabricantes de PV, sin embargo, especializados en aplicaciones espaciales, informaron desarrollos de BSC a escala de laboratorio como COMSAT en 1980, Solarex en 1981 o AEG Telefunken en 1984. [31] [32] [33] Durante finales de la década de 1980 y la década de 1990 continuó la investigación y mejora de la tecnología de células solares bifaciales. En 1987 Jaeger y Hezel en ISFH (Instituto de Investigación de Energía Solar en Hamelin) produjeron con éxito un nuevo diseño de BSC basado en una unión única n + p, en la que el contacto trasero fue reemplazado por una rejilla metálica y todas las superficies intermetálicas fueron pasivadas con nitruro de silicio cultivado por PECVD , lo que resultó en un 15% y un 13,2% bajo iluminación frontal y trasera respectivamente. [34] De esta manera, estos dispositivos presentaron una unión frontal de capa de inversión de semiconductores aislantes metálicos (MIS-IL). Diez años después, el mismo grupo de investigación reemplazó esta capa MIS con una unión pn difusa para producir dispositivos de laboratorio BSC con eficiencias frontales del 20,1% y traseras del 17,2%. [35] En 1997, Glunz et al., en el Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar , produjeron dispositivos n + pn + 4 cm2 con eficiencias de conversión frontales del 20,6% y traseras del 20,2%. [36] Esta era una celda de doble unión (una de las uniones no conectada o "flotando") con la rejilla metálica solo en la superficie trasera, es decir, operando un BSC solar de contacto posterior interdigitado (IBC) y con la unión frontal flotante actuando como pasivación. Para 1997, SunPower , para entonces el fabricante de celdas solares que producía las celdas de mayor eficiencia a través de su diseño de contacto posterior, publicó una investigación de un equipo dirigido por su fundador, Richard Swanson , sobre un BSC de contacto posterior con eficiencia frontal del 21,9% y eficiencia trasera del 13,9%. [37] Se produjo una serie prototipo de células y módulos, pero nunca llegaron a la producción en masa.
En aquellos días, cuando el coste de los módulos fotovoltaicos era prácticamente el único factor que impulsaba una mayor adopción de la electricidad solar (como ha sucedido desde entonces), y a pesar de su atractivo y del gran esfuerzo de investigación realizado, la complejidad añadida de las células fotovoltaicas de bajo consumo impidió su adopción para la producción a gran escala, como sólo había logrado anteriormente Isofoton. Se propusieron y demostraron aplicaciones de nicho en las que las células fotovoltaicas de bajo consumo presentaban ventajas competitivas, incluso hasta el punto de implicar algunas producciones piloto. Por ejemplo, módulos fotovoltaicos bifaciales para protección solar en fachadas o cocheras. [38] Una demostración de aplicación celebrada fue la de Nordmann et al. en 1997, que consistía en una barrera acústica fotovoltaica de 10 kW a lo largo de un tramo de 120 m orientado de norte a sur de la autopista A1 en Wallisellen (al norte de Zúrich). Las células fotovoltaicas de bajo consumo en este caso fueron fabricadas por las empresas alemanas ASE (posteriormente RWE Schott Solar GmbH) y Kohlhauer basándose en una patente de sistema de TNC Energie Consulting, y esta aplicación ha sido replicada abundantemente desde entonces. [39]
Con el cambio de milenio, se empezaron a trazar de nuevo caminos hacia la producción industrial de células y módulos BSC. En 2000, el fabricante japonés Hitachi publicó los resultados de su investigación en BSC con otra célula n + pn + de tipo transistor con una eficiencia del 21,3% en la parte delantera y del 19,8% en la trasera. [40] En 2003, Hitachi había desarrollado la tecnología de módulos BSC que fue licenciada en 2006 a la empresa estadounidense Prism Solar. [41] En 2004, un equipo dirigido por el profesor Andrew Blakers en la Universidad Nacional de Australia publicó sus primeros resultados sobre la denominada tecnología Sliver BSC, que había seguido la ruta de diseño propuesta previamente por Mori y también realizada por IES-UPM por Sangrador y Sala, es decir, una pila de células bifaciales conectadas lateralmente que no requieren rejillas metálicas, pero que para entonces contaban con medios más avanzados con los que se micromaquinaron miles de células a partir de una oblea de silicio de tipo p. [42] [43] La tecnología fue posteriormente transferida a Origin Energy que planeó la fabricación a gran escala para el mercado australiano en 2008, pero finalmente esto nunca ocurrió debido a la presión de precios de la competencia china. [44] En 2012 Sanyo (posteriormente adquirida por Panasonic ) lanza con éxito la producción industrial de módulos fotovoltaicos bifaciales, basada en su tecnología HIT (Heterojunción con capa fina intrínseca) . [45] [46] En 2010, ECN publica los resultados de su investigación sobre BSC, basada en el entonces clásico BSC de campo de superficie posterior p + nn + . [47] Esta tecnología, denominada n-PASHA, fue transferida al fabricante fotovoltaico chino líder Yingli en 2012, que comenzó a comercializarlas bajo la marca Panda. [48] Yingli era en ese momento el productor número 1 de PV, con el 10% de los envíos mundiales, y esta transferencia de tecnología por parte de ECN puede considerarse un hito en la madurez definitiva de las BSC, en la que la tecnología es adoptada por los, para entonces, poderosos fabricantes chinos, principales responsables de la pronunciada disminución experimentada por los precios de PV desde principios de la década de 2010.
En 2020, el directorio ENF Solar de empresas solares enumera 184 productores de paneles solares bifaciales y, según la Hoja de Ruta Tecnológica Internacional para la Energía Fotovoltaica, tenían una participación del 20% del mercado fotovoltaico general y su pronóstico es que esta participación aumentará al 70% para 2030. Al mirar hacia atrás en la historia del desarrollo de las BSC, parece claro que la industrialización total de las células solares fotovoltaicas monofaciales y el desarrollo de su mercado actualmente en auge, fue una condición necesaria para que las BSC se convirtieran en un siguiente paso en el avance de la tecnología de células solares fotovoltaicas, con un mercado y una industria solares que puedan aprovechar al máximo sus ventajas de rendimiento.
Varias revisiones exhaustivas sobre células solares bifaciales y sus elementos tecnológicos cubren el estado actual de la técnica. En ellas se resumen los diseños de células solares bifaciales más comunes que se comercializan actualmente y luego se ofrece una revisión de sus aspectos tecnológicos. [49] [50] [3]
Actualmente, en el mercado fotovoltaico se encuentran disponibles varios módulos fotovoltaicos bifaciales con diferentes arquitecturas para sus BSC. Entre ellos se incluyen los de contacto trasero con emisor pasivado (PERC), los de difusión local con emisor trasero pasivado (PERL), los de difusión total con emisor trasero pasivado (PERT), los de heterojunción con capa fina intrínseca (HIT) y los de contacto trasero interdigitado (IBC).
Tradicionalmente, se han utilizado obleas de silicio como sustratos celulares, aunque se han propuesto y probado otros materiales. El espesor del sustrato tiene un impacto esencial en los costos de material; las obleas más delgadas significan ahorro, pero al mismo tiempo, hacen que la manipulación sea más difícil y costosa o impactan en el rendimiento. Además, los sustratos más delgados pueden mejorar la eficiencia debido a la reducción de la recombinación en masa . [51]
Mientras que las células monofaciales requieren un solo paso de difusión para formar su unión pn única, las BSC requieren dos uniones pn con diferentes dopantes , lo que aumenta el número de procesos de alta temperatura en la fabricación y, por lo tanto, su costo. La codefusión es una opción para simplificar este proceso, que consiste en la predeposición y dopaje de boro y fósforo en ambos lados de la célula simultáneamente; sin embargo, requiere controlar que no haya dopaje cruzado. Otra opción para ahorrar costos es construir las uniones pn mediante implantación de iones en lugar de difusión.
Al igual que en las células monofaciales, los contactos frontales de las células BSC están principalmente serigrafiados en plata, lo que se convierte, debido al contenido de plata, en uno de sus elementos de coste importantes. Se están realizando investigaciones para sustituir los contactos de plata serigrafiados por contactos revestidos de cobre, TCO o aluminio. Sin embargo, lo más factible hasta ahora ha sido reducir la cantidad de pasta de serigrafía mediante el uso de células solares frontales sin busbar con hilos de contacto muy finos.
En las BSC, la recombinación en la interfaz metal-semiconductor en la superficie trasera se reduce en comparación con las celdas monofaciales, debido a que las primeras restringen esta interfaz a la de la rejilla metálica de la superficie trasera. Sin embargo, aún se necesita la pasivación de las superficies de silicio y su área se extiende por la de la superficie trasera. Nuevamente, el objetivo es reducir la temperatura de los procesos de fabricación involucrados. Tradicionalmente, la pasivación se obtenía por oxidación térmica ( SiO 2 ); sin embargo, esto requiere una temperatura superior a 1000 °C. Actualmente, la pasivación de la superficie de silicio se logra colocando nitruro de silicio ( SiN x ) en ambos lados de la celda por medio de deposición química en fase de vapor mejorada con plasma ( PECVD ), que requiere 400 °C. Se pueden lograr temperaturas de deposición más bajas de ~225 °C pasivando con silicio amorfo hidrogenado , a-Si:H.
La eficiencia de las células madre de silicio se determina generalmente mediante mediciones independientes de la eficiencia de los lados frontal y posterior bajo un mismo sol. A veces, la célula madre de silicio se caracteriza utilizando su eficiencia equivalente, definida como la eficiencia de una célula monofacial capaz de generar la misma potencia por unidad de área que la célula bifacial en las mismas condiciones de prueba. Alternativamente, la eficiencia equivalente se ha definido como la suma de las eficiencias de los lados frontal y posterior ponderada por las cantidades relativas de irradiancia en ambos lados.
Otro parámetro relacionado es el Factor de Bifacialidad, definido como la relación entre las eficiencias delantera y trasera cuando se iluminan y se miden de forma independiente: [3]
También específico de las BSC es la tasa de separación , que pretende medir el efecto de iluminación bifacial predicho por McIntosh et al. en 1997 por el cual, la salida eléctrica de las BSC que funcionan bajo iluminación bifacial no necesariamente sería igual a la suma de la salida eléctrica frontal y trasera solamente, es decir, no es meramente una combinación lineal de las características monofaciales: [52] [53]
Por lo general, X representa uno de los parámetros característicos de la celda, como la corriente de cortocircuito J sc , la potencia pico P max o la eficiencia η. Además, para caracterizar el funcionamiento de la BSC bajo irradiación frontal y trasera simultánea, se utiliza la ganancia de irradiación, g , definida como: [3]
de modo que
y una Eficiencia 1.x bifacial puede definirse como la eficiencia obtenida bajo una irradiancia simultánea de una cierta cantidad en la cara frontal y x veces esta cantidad en la cara posterior del BSC. Entonces la ganancia real de un BSC con respecto a uno monofacial puede expresarse a través del Producto Ganancia-Eficiencia, que es el producto de la ganancia de irradiancia g y la Eficiencia 1.x bifacial .
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![Dibujos de la patente ES458514A1 de Luque de 1978 de la célula solar bifacial de tipo npp+. (a): capa de tipo n; (b): rejillas metálicas; (c): capa de tipo p+; (d) oblea de tipo p]]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/30/Luque's_patent_of_the_npp+_bifacial_solar_cell.jpg/1280px-Luque's_patent_of_the_npp+_bifacial_solar_cell.jpg)
![{\displaystyle {\text{Factor de bifacialidad}}(\%)=\left[{\frac {\eta _{\text{delantero}}}{\eta _{\text{trasero}}}}\right]\times 100}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a326a2239847d9b5e8a84cea1698e9e5c36a015e)
![{\displaystyle {\text{Tasa de separación}}(\%)=\left[{\frac {X_{\text{delantero+trasero}}}{X_{\text{delantero}}+X_{\text{trasero}}}}\right]\times 100}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6d677b5f87bfdc69bec131063f9cbd10da0db8d1)
