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23/11/2009 - 09:00h
Innovación en materiales
En este mes de agosto la energía solar aportó el 4% de la demanda de Red Eléctrica de España (REE). La fabricación de equipos solares fotovoltaicos creció un 70% en células y un 215% en módulos.
Sin embargo, el sobrecoste de producir electricidad mediante energía solar fotovoltaica es diez veces superior al de producirla a través de energías más convencionales como gas o hidraúlicas, entre otras. Según datos de la Comisión Nacional de la Energía (CNE, el coste de la electricidad en España es de 42 euros por MWh, mientras que el correspondiente a la solar fotovoltaica es de 452 euros por MWh. Por ello hay que abaratar costes si se desea aumentar la cuota de mercado de esta última.
Células solares basadas en láminas delgadas
Aunque hoy en día en torno al 90% de las células fotovoltaicas comerciales se fabrica - con obleas de silicio, monocristalino o multicristalino, cabe resaltar el creciente interés que en años recientes están experimentando las células solares basadas en láminas delgadas, tanto por grupos de investigación como por empresas líderes en el sector fotovoltaico. Un espesor aproximadamente 100 veces menor que el correspondiente a las células basadas en silicio cristalino, con el consiguiente ahorro del material empleado, un ensamblado más sencillo que repercute favorablemente en los costes de producción y unas prometedoras eficiencias obtenida a escala de laboratorio, están impulsando el avance de este tipo de células. Unas 150 empresas han anunciado planes para iniciar o ampliar la capacidad de producción de módulos fotovoltaicos de producción y de módulos fotovoltaicos de lámina delgada en los próximos años.
Entre los distintos tipos de células solares de lámina delgada cabe destacar, aparte de las basadas en silicio (amorfo y micromorfo), aquellas basadas en teluro de cadmio (CdTe) y las de diseleniuro / disulfuro de cobre e indio-galio (CIGS). Estos dos últimos tipos, denominados en base al material que constituye la lámina absorbente, ofrecen en la actualidad eficiencias superiores a las de lámina delgada basadas en silicio.
Tecnología CdTe
Los progresos más destacables en la eficiencia del módulo se han obtenido a partir del año 2004 para la tecnología CdTe para empresas como First Solar. El CdTe posee un alto valor del coeficiente de absorción y un valor del gap de 1,4 eV, require de técnicas relativamente económicas para su preparación y ha demostrado eficiencias de un 16,5% y un 11% en células a pequeña escala y en módulos comerciales, respectivamente. Existe en el mercado una producción de módulos de CdTe como absorbente. Sin embargo, estos materiales presentan, como desventaja destacable, la utilización de cadmio, material muy tóxico para el medio ambiente, así como una deficiente conductividad tipo p del CdTe. De ahí la necesidad de buscar materiales alternativos pra la fabricación de células solares.
Tecnologia CIGS
Uno de los materiales más prometedores para usarse como absorbente en células de lámina delgada lo constituye el CIGS. Esto se debe a un valor del gap de 1,5 eV, que se encuentra en el rango óptimo para la conversión de energía solar, y a un elevado coeficiente de absorción. Sin embargo, mientras que las células basadas en CTe cuentan como una tecnología que se va consolidando rápidamente, no ocurre lo mismo para las basadas en CIGS, que aún están lejos de demostrar que son competitivas en el actual panorama fotovoltaico. Una de las principales razones es una estructura mucho más compleja, lo que se traduce en una mayor dificultad en el control de los parámetros de procesamiento de las mismas. Hay que tener en cuenta que la lámina absorbente que constituye la celula de CIGs cuenta por lo general con cuatro y hasta cinco elementos (CU, In,Ga, Se,S),mientras que en aquellas de CdTe únicamente tenemos dos elementos. El principal problema radica, por tanto, en conseguir una adecuada estructura calcopirita Cu(In, Ga)(Se, S)2 para la lámina absorbente, evitando la presencia de fases secundarias que supondrían un detrimento en el rendimiento final del módulo.
Würth Solar y Solibro, empresas líderes en la fabricación de módulos CIGS por co-evaporación de los elementos constituyentes sobresubstratos de vidrio, finalizaron en la segunda mitad del 2008 la expansión de sus plantas a una capacidad de producción de 30 MW. Ambas se encuentran a su vez en proceso de expanasión a los 45 MW y planean la costrucción a corto plazo de nuevas líneas de producción con una ampliada capacidad de hasta 90 MW. Las eficiencias de los módulos ofertados se encuentran en torno al 11-12%. Este valor contrasta con el valor récord de eficiencia del 20% que ostenta el laboratorio de energías renovables americano NREL para células de CIGs a escala de laboratorio. Esa notable diferencia entre eficiencias a gran y pequeña escala remarca la complejidad de obtener módulos con una composició homogénea y reproducible de unos módulos a otros, que garanticen una eficienca optimizada de la instalación fotovoltaica final.
Estas láminas preparadas por coevaporación siguen, por lo general, un proceso en etapas en el que se hace un uso de un exceso de cobre que repercute en una microesructura y morfología mejoradas y , por tanto, en una mayor calidad del absorbente. Sin embargo, ese exceso de cobre da lugar a fases binarias del tipo CuS segregadas en la superficie de la lámina del absorbente, que inevitablemente, han de ser eliminadas mediante un proceso de ataque quimico con cianuro potásico antes de completar la fabricación de la célula. Este tratamiento, además de suponer un encarecimiento de los gastos de producción, implica a su vez un impacto ecológico dada su elevada toxicidad. Ante esta problemática, la Unidad de Energía solar fotovoltaica del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas -CIEMAT- - investiga la posibilidad de producir láminas de CIS basadas en azufre (CuInS2) mediante co-evaporación de los elementos constituyentes y sin la presencia de fases binarias de CuS segreadas en la superficie. Esto supone una clara ventaja tanto desde el punto de vista económico como ecológico puesto que, además de evitar la posterior aplicación del tratamiento de ataque químico, permite la preparación in situ -sin romper la línea de vacío - de una capa buffer de sulfuro de incio, evitando el uso de cadmio en la estructura de la célula, capa que sirve de base para el adecuado crecimiento de la capa ventana.
Células sobre sustratos flexibles
También conviene destacar el creciente impulso que está experimentando la investigación de células solares preparadas sobre sustratos flexibles. Hay que tener en cuenta que, mientras que instalaciones de tipo huerto solar o las aplicaciones habituales en arquitectura buscan, por lo general, células solares con una vida media larga, otro tipo de sectores como el automovilístico, espacial y aeronáutico no precisan células con un tiempo de vida tan prologado, principalmente dan prioridad a láminas delgadas, ligeras y flexibles las cuales ahorran combustible (por ejemplo, en el lanzamiento para misiones espaciales, reduciendo significativamente los costes) a la vez que permiten nuevos diseños. El uso de sustratos de cristal restringe fuertemente los potenciales campos de aplicaciones, dado que son muy gruesos (1-2 mm) en comparación con el espesor total del conjunto de láminas que constituyen la célula -unas pocas micras. Esto resulta en un incremento considerable de peso y en un elevado grado de fragilidad. La utilización de sustratos flexibles supone una atractiva alternativa en estos casos. Además, conlleva una reducción considerable del coste asociado al proceso de producción de las células, ya que se hace posible el uso de un procedimiento 'roll-to-roll" similar al empleado para la impresión de periódicos o de billetes de dinero. Sin embargo, esta tecnología añade nuevos desafíos a los ya existentes para sus homónimas, las células solares rígidas.
Las condiciones de preparación de las láminas que conforman la célula sobre sustratos de vidrio no son directamente extensibles a la preparación sobre sustratos poliméricos. Una diferencia fundamental lo constituye la temperatura máxima que los polímeros empleados pueden soportar sin sufrir daños irreversibles en sus propiedades químicas y mecánicas. Las temperaturas típicas de depósito de láminas absorbentes de CIGs, empleadas en técnicas habituales como evaporación de los elementos y selenización / sulfurización de las láminas metálicas de los precursores, se encuentran habitualmente en el rango 400-500ºC. Polimidas,como por ejemplo el Kapton, constituyen un grupo de polímeros que ofrecen una elevada resistencia térmica, así como la posibilidad de someterlos a un rango de temperaturas de 350-400ºC sin riesgo de deteriorarlos. El proyecto FOTOFLEX (IV PRICIT de la comunidad de Madrid), coordinado por el CIEMAT y que también reúne a grupos de investigación del CSIC y de la universidad Autónoma de Madrid, tiene como principal objetivo el desarrollo de células de laboratorio eficientes de lámina delgada de materiales policrisalinos sobre sustratos de polímetros flexibles. Además de investigar la optimización de la preparación de células flexiles sobre polímeros comerciales aunas temperaturas relativamente bajas (en torno a 350ºC para la preparación del CIS), uno de los puntos más innovadores del proyecto lo constituye la elaboración e nuevos sustratos polímericos por aprte del Departamento de Química Macromolecular del CSIC. El CIEMAT se encuentra actualmente investigando el comportamiento del contacto posterior del molibdeno depositado medinte pulverización catódica sobre dichos sustratos. Una elección adecuada de los parámetros de proceso ha permitido la fabricación de estructuras molibdeno/polímero de reducida curvatura y con unas propiedades ópticas (elevada reflectancia) y eléctricas (baja resistividad para contribuir mínimamente a la resistividad total de la célula ) óptimas para su aplicación en dispositivos fotovoltaicos.
Resultados experimentales presentados recientemente por grupos europeos y japoneses en San Francisco, dentro del Congreso de la Materials Research Society (MRS Spring Meeting 2009), mostraban eficiencias máximas alcanzadas de un 15% para células solares flexibles preparadas sobre sustratos poliméricos comerciales, importante remarcar, a escala de laboratorio (frente al 20% alcanzado para células sobre vidrio). En la actualidad este tipo de células no pueden , por tanto, competir con las de tipo rígido cuando lo que se desea es una eficiencia máxims. Sí pueden hacerlo cuando priman otros requerimientos como ligereza, flexibilidad y motivos de carácter estéticos.
Materiales de banda intermedia
Otra línea de investigación que se está llevando a acabo en la actualidad, enfocada a lograr células solares de lámina delgada policristalina de elevada eficiencia, se centra en la obtención de nuevos materiales de banda intermedia MIB. S u nombre deriva de la presencia de una banda intermedia (nivel de energía en el medio del gap del semicondutor), aislada y parcialmente llena. La célula solar se completa colocando dicho material entre dos capas de semiconductores ordinarios, uno tipo n, para contacto con la banda de conducción, y otro tipo p, para contacto con la banda de valencia. Las capas n y p evitan además que la banda intermedia esté en contacto con las conexiones metálicas externas (lo que produciría un cortocircuito) variando así la estructura que actualmente se utiliza en la fabricación de dispositivos fotovoltaicos. Cálculos teóricos auguran una conversión de la energía solar en eléctrica mucho más eficiente que la correspondiente a células convencionales.
Los dispositivos fotovoltaicos basados en materiales de banda intermedia fueron descritos en 1997 por Antonio Luque y antonio Martí (Instituto de Energía Solar, IES, de la Universidad politécnica de Madrid) y, aunque todavía no se comercializan, el estudio y el desarrollo de estos materiales están teniendo gran importancia a nivel de laboratorio. Tanto es así, que en la actualidad se están llevando a cabo diversos proyectos de investigación relacionados con el tema por multitud de grupos. El proyect GENESIS -VF que se encuentra dentro del programa para grupos de alta calidad en la frontera del conocimiento del Ministerio de Ciencia e Investigación, es uno de ellos. Tiene como principal objetivo la investigación de esta nueva generación de materiales, células y sistemas para la conversión fotovoltaica. Este proyecto, en el que el CIEMAT participa, cueta con una dotación económica de 4 millones de euros. Una de las novedades de este proyecto, respecto a otros en vigencia en esta temática, es que ha sido uno de los primeros en obtener resultados experimentales basados en células de banda intermedia de capa delgada; asimismo, se están sintenizando materiales de tipo calcogenuro de banda intermedia mediante procedimientos de síntesis química por vía húmeda. El campo de aplicaciones de estos materiales no se restringe únicamente al de las células solares, sino que también podrían emplearse como fotodetectores.
Fuente: Era Solar, quinto trimestre 2009
Células solares basadas en láminas delgadas
Aunque hoy en día en torno al 90% de las células fotovoltaicas comerciales se fabrica - con obleas de silicio, monocristalino o multicristalino, cabe resaltar el creciente interés que en años recientes están experimentando las células solares basadas en láminas delgadas, tanto por grupos de investigación como por empresas líderes en el sector fotovoltaico. Un espesor aproximadamente 100 veces menor que el correspondiente a las células basadas en silicio cristalino, con el consiguiente ahorro del material empleado, un ensamblado más sencillo que repercute favorablemente en los costes de producción y unas prometedoras eficiencias obtenida a escala de laboratorio, están impulsando el avance de este tipo de células. Unas 150 empresas han anunciado planes para iniciar o ampliar la capacidad de producción de módulos fotovoltaicos de producción y de módulos fotovoltaicos de lámina delgada en los próximos años.
Entre los distintos tipos de células solares de lámina delgada cabe destacar, aparte de las basadas en silicio (amorfo y micromorfo), aquellas basadas en teluro de cadmio (CdTe) y las de diseleniuro / disulfuro de cobre e indio-galio (CIGS). Estos dos últimos tipos, denominados en base al material que constituye la lámina absorbente, ofrecen en la actualidad eficiencias superiores a las de lámina delgada basadas en silicio.
Tecnología CdTe
Los progresos más destacables en la eficiencia del módulo se han obtenido a partir del año 2004 para la tecnología CdTe para empresas como First Solar. El CdTe posee un alto valor del coeficiente de absorción y un valor del gap de 1,4 eV, require de técnicas relativamente económicas para su preparación y ha demostrado eficiencias de un 16,5% y un 11% en células a pequeña escala y en módulos comerciales, respectivamente. Existe en el mercado una producción de módulos de CdTe como absorbente. Sin embargo, estos materiales presentan, como desventaja destacable, la utilización de cadmio, material muy tóxico para el medio ambiente, así como una deficiente conductividad tipo p del CdTe. De ahí la necesidad de buscar materiales alternativos pra la fabricación de células solares.
Tecnologia CIGS
Uno de los materiales más prometedores para usarse como absorbente en células de lámina delgada lo constituye el CIGS. Esto se debe a un valor del gap de 1,5 eV, que se encuentra en el rango óptimo para la conversión de energía solar, y a un elevado coeficiente de absorción. Sin embargo, mientras que las células basadas en CTe cuentan como una tecnología que se va consolidando rápidamente, no ocurre lo mismo para las basadas en CIGS, que aún están lejos de demostrar que son competitivas en el actual panorama fotovoltaico. Una de las principales razones es una estructura mucho más compleja, lo que se traduce en una mayor dificultad en el control de los parámetros de procesamiento de las mismas. Hay que tener en cuenta que la lámina absorbente que constituye la celula de CIGs cuenta por lo general con cuatro y hasta cinco elementos (CU, In,Ga, Se,S),mientras que en aquellas de CdTe únicamente tenemos dos elementos. El principal problema radica, por tanto, en conseguir una adecuada estructura calcopirita Cu(In, Ga)(Se, S)2 para la lámina absorbente, evitando la presencia de fases secundarias que supondrían un detrimento en el rendimiento final del módulo.
Würth Solar y Solibro, empresas líderes en la fabricación de módulos CIGS por co-evaporación de los elementos constituyentes sobresubstratos de vidrio, finalizaron en la segunda mitad del 2008 la expansión de sus plantas a una capacidad de producción de 30 MW. Ambas se encuentran a su vez en proceso de expanasión a los 45 MW y planean la costrucción a corto plazo de nuevas líneas de producción con una ampliada capacidad de hasta 90 MW. Las eficiencias de los módulos ofertados se encuentran en torno al 11-12%. Este valor contrasta con el valor récord de eficiencia del 20% que ostenta el laboratorio de energías renovables americano NREL para células de CIGs a escala de laboratorio. Esa notable diferencia entre eficiencias a gran y pequeña escala remarca la complejidad de obtener módulos con una composició homogénea y reproducible de unos módulos a otros, que garanticen una eficienca optimizada de la instalación fotovoltaica final.
Estas láminas preparadas por coevaporación siguen, por lo general, un proceso en etapas en el que se hace un uso de un exceso de cobre que repercute en una microesructura y morfología mejoradas y , por tanto, en una mayor calidad del absorbente. Sin embargo, ese exceso de cobre da lugar a fases binarias del tipo CuS segregadas en la superficie de la lámina del absorbente, que inevitablemente, han de ser eliminadas mediante un proceso de ataque quimico con cianuro potásico antes de completar la fabricación de la célula. Este tratamiento, además de suponer un encarecimiento de los gastos de producción, implica a su vez un impacto ecológico dada su elevada toxicidad. Ante esta problemática, la Unidad de Energía solar fotovoltaica del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas -CIEMAT- - investiga la posibilidad de producir láminas de CIS basadas en azufre (CuInS2) mediante co-evaporación de los elementos constituyentes y sin la presencia de fases binarias de CuS segreadas en la superficie. Esto supone una clara ventaja tanto desde el punto de vista económico como ecológico puesto que, además de evitar la posterior aplicación del tratamiento de ataque químico, permite la preparación in situ -sin romper la línea de vacío - de una capa buffer de sulfuro de incio, evitando el uso de cadmio en la estructura de la célula, capa que sirve de base para el adecuado crecimiento de la capa ventana.
Células sobre sustratos flexibles
También conviene destacar el creciente impulso que está experimentando la investigación de células solares preparadas sobre sustratos flexibles. Hay que tener en cuenta que, mientras que instalaciones de tipo huerto solar o las aplicaciones habituales en arquitectura buscan, por lo general, células solares con una vida media larga, otro tipo de sectores como el automovilístico, espacial y aeronáutico no precisan células con un tiempo de vida tan prologado, principalmente dan prioridad a láminas delgadas, ligeras y flexibles las cuales ahorran combustible (por ejemplo, en el lanzamiento para misiones espaciales, reduciendo significativamente los costes) a la vez que permiten nuevos diseños. El uso de sustratos de cristal restringe fuertemente los potenciales campos de aplicaciones, dado que son muy gruesos (1-2 mm) en comparación con el espesor total del conjunto de láminas que constituyen la célula -unas pocas micras. Esto resulta en un incremento considerable de peso y en un elevado grado de fragilidad. La utilización de sustratos flexibles supone una atractiva alternativa en estos casos. Además, conlleva una reducción considerable del coste asociado al proceso de producción de las células, ya que se hace posible el uso de un procedimiento 'roll-to-roll" similar al empleado para la impresión de periódicos o de billetes de dinero. Sin embargo, esta tecnología añade nuevos desafíos a los ya existentes para sus homónimas, las células solares rígidas.
Las condiciones de preparación de las láminas que conforman la célula sobre sustratos de vidrio no son directamente extensibles a la preparación sobre sustratos poliméricos. Una diferencia fundamental lo constituye la temperatura máxima que los polímeros empleados pueden soportar sin sufrir daños irreversibles en sus propiedades químicas y mecánicas. Las temperaturas típicas de depósito de láminas absorbentes de CIGs, empleadas en técnicas habituales como evaporación de los elementos y selenización / sulfurización de las láminas metálicas de los precursores, se encuentran habitualmente en el rango 400-500ºC. Polimidas,como por ejemplo el Kapton, constituyen un grupo de polímeros que ofrecen una elevada resistencia térmica, así como la posibilidad de someterlos a un rango de temperaturas de 350-400ºC sin riesgo de deteriorarlos. El proyecto FOTOFLEX (IV PRICIT de la comunidad de Madrid), coordinado por el CIEMAT y que también reúne a grupos de investigación del CSIC y de la universidad Autónoma de Madrid, tiene como principal objetivo el desarrollo de células de laboratorio eficientes de lámina delgada de materiales policrisalinos sobre sustratos de polímetros flexibles. Además de investigar la optimización de la preparación de células flexiles sobre polímeros comerciales aunas temperaturas relativamente bajas (en torno a 350ºC para la preparación del CIS), uno de los puntos más innovadores del proyecto lo constituye la elaboración e nuevos sustratos polímericos por aprte del Departamento de Química Macromolecular del CSIC. El CIEMAT se encuentra actualmente investigando el comportamiento del contacto posterior del molibdeno depositado medinte pulverización catódica sobre dichos sustratos. Una elección adecuada de los parámetros de proceso ha permitido la fabricación de estructuras molibdeno/polímero de reducida curvatura y con unas propiedades ópticas (elevada reflectancia) y eléctricas (baja resistividad para contribuir mínimamente a la resistividad total de la célula ) óptimas para su aplicación en dispositivos fotovoltaicos.
Resultados experimentales presentados recientemente por grupos europeos y japoneses en San Francisco, dentro del Congreso de la Materials Research Society (MRS Spring Meeting 2009), mostraban eficiencias máximas alcanzadas de un 15% para células solares flexibles preparadas sobre sustratos poliméricos comerciales, importante remarcar, a escala de laboratorio (frente al 20% alcanzado para células sobre vidrio). En la actualidad este tipo de células no pueden , por tanto, competir con las de tipo rígido cuando lo que se desea es una eficiencia máxims. Sí pueden hacerlo cuando priman otros requerimientos como ligereza, flexibilidad y motivos de carácter estéticos.
Materiales de banda intermedia
Otra línea de investigación que se está llevando a acabo en la actualidad, enfocada a lograr células solares de lámina delgada policristalina de elevada eficiencia, se centra en la obtención de nuevos materiales de banda intermedia MIB. S u nombre deriva de la presencia de una banda intermedia (nivel de energía en el medio del gap del semicondutor), aislada y parcialmente llena. La célula solar se completa colocando dicho material entre dos capas de semiconductores ordinarios, uno tipo n, para contacto con la banda de conducción, y otro tipo p, para contacto con la banda de valencia. Las capas n y p evitan además que la banda intermedia esté en contacto con las conexiones metálicas externas (lo que produciría un cortocircuito) variando así la estructura que actualmente se utiliza en la fabricación de dispositivos fotovoltaicos. Cálculos teóricos auguran una conversión de la energía solar en eléctrica mucho más eficiente que la correspondiente a células convencionales.
Los dispositivos fotovoltaicos basados en materiales de banda intermedia fueron descritos en 1997 por Antonio Luque y antonio Martí (Instituto de Energía Solar, IES, de la Universidad politécnica de Madrid) y, aunque todavía no se comercializan, el estudio y el desarrollo de estos materiales están teniendo gran importancia a nivel de laboratorio. Tanto es así, que en la actualidad se están llevando a cabo diversos proyectos de investigación relacionados con el tema por multitud de grupos. El proyect GENESIS -VF que se encuentra dentro del programa para grupos de alta calidad en la frontera del conocimiento del Ministerio de Ciencia e Investigación, es uno de ellos. Tiene como principal objetivo la investigación de esta nueva generación de materiales, células y sistemas para la conversión fotovoltaica. Este proyecto, en el que el CIEMAT participa, cueta con una dotación económica de 4 millones de euros. Una de las novedades de este proyecto, respecto a otros en vigencia en esta temática, es que ha sido uno de los primeros en obtener resultados experimentales basados en células de banda intermedia de capa delgada; asimismo, se están sintenizando materiales de tipo calcogenuro de banda intermedia mediante procedimientos de síntesis química por vía húmeda. El campo de aplicaciones de estos materiales no se restringe únicamente al de las células solares, sino que también podrían emplearse como fotodetectores.
Fuente: Era Solar, quinto trimestre 2009
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