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7/01/2010 - 09:00h
La investigación en fotovoltaica
La industria fotovoltaica y varios institutos de investigación están trabajando en una serie de ideas innovativas dirigidas a hacer los módulos fotovoltaicos más económicos y a la vez más eficientes.
Según Dirk Holger Neuhaus, el director de Solar world Innovations GMbH, de Freiburgo, Alemania, los módulos fotovoltaicos "tendrán en el futuro una eficiencia mucho más elevada. Además, serán negros, con lo cual reflejarán menos luz que los módulos de hoy en día, tendrán conexiones más finas o incluso ninguna conexión en la parte frontal, y estarán conectados desde la parte posterior. También serán mucho más finos".
No serán sólo más eficientes, sino que también tendrán costes de producción más bajos. Según Bernd Rech, del Centro Helmholtz de Berlín, uno de los institutos de investigación solar más grandes de Alemania, los científicos persiguen un objetivo concreto: "hacer los módulos solares basados en células tan baratos como los módulos llamados de película fina (thin-film). O hacer los módulos de capa fina tan eficientes como los convencionales". Rech es optimista, y considera que los módulos de película fina de silicio alcanzarán una eficiencia de hasta el 20% en el futuro. Los científicos también siguen otra línea de investigación, por la cual se podrían conseguir dos fotones rojos de un fotón azul. Estos componentes se denominan convertidores espectrales, y podrían conducir a un desarrollo significativo de la eficiencia de la fotovoltaica, ya que hacen posible convertir partes del espectro de luz que ahora mismo no pueden ser aprovechadas para la producción de electricidad debido a obstáculos físicos. Estos componenentes podrían ser usados en una amplia variedad de células solares.
Eficiencia y coste
Para producir un cambio de verdad en el mercado, afirma Rech, tienes que hacer "las células eficientes más baratas o las células baratas más eficientes". Ahora los clientes, también seleccionan mejor y están al tanto de las innovaciones que suponen una mejora del rendimiento o del precio.
Hay muchas ideas al respecto. Una de ellas es de Zoltan Kiss, el fundador de Amelio Solar Inc., Nueva Jersey, Estados Unidos. Implica coger dos cristales, equipar cada uno de ellos con un sistema solar de capa fina y laminarlos juntos para producir un módulo tándem. El tándem fotovoltaico combina un módulo de capa fina fabricado a base de silicio amorfo con uno de CIGS (una combinación de varios minerales), de forma que se alcanza una efectividad del 13%. De esta forma, se evita los peligros del cadmio, según Zoltan Kiss. De hecho, Amelio Solar no utiliza el cadmio en absoluto. Al contrario que las células CIGS convencionales, el dúo del que hablamos no utiliza el sulfato de cadmio como una de las capas base. Aunque un módulo de capa fina de silicio amorfo no es tan potente como su rival CIGS, proporciona una serie de ventajas. Sobre todo producciones más elevadas a temperaturas elevadas.
Hay factores físicos que explican esta tendencia hacia los tandems. Las células solares sólo pueden convertir una parte de la luz que reciben. Esto se debe a que los fotones que llegan requieren de un nivel mínimo de energía antes de excitar al electrón y lanzarlo fuera de su posición en el átomo del semiconductor. De esta forma, se infrautiliza una gran parte del espectro de luz solar. La radiación infrarroja con una longitud de onda menor a 1.100 nm, por ejemplo, no produce electricidad en las células fabricadas a partir del silicio. Incluso en los rangos de luz ultravioleta sólo se aprovecha una fracción de la energía. Y el único efecto que produce esa energía es el calentamiento de los módulos.
Límite teórico
No serán sólo más eficientes, sino que también tendrán costes de producción más bajos. Según Bernd Rech, del Centro Helmholtz de Berlín, uno de los institutos de investigación solar más grandes de Alemania, los científicos persiguen un objetivo concreto: "hacer los módulos solares basados en células tan baratos como los módulos llamados de película fina (thin-film). O hacer los módulos de capa fina tan eficientes como los convencionales". Rech es optimista, y considera que los módulos de película fina de silicio alcanzarán una eficiencia de hasta el 20% en el futuro. Los científicos también siguen otra línea de investigación, por la cual se podrían conseguir dos fotones rojos de un fotón azul. Estos componentes se denominan convertidores espectrales, y podrían conducir a un desarrollo significativo de la eficiencia de la fotovoltaica, ya que hacen posible convertir partes del espectro de luz que ahora mismo no pueden ser aprovechadas para la producción de electricidad debido a obstáculos físicos. Estos componenentes podrían ser usados en una amplia variedad de células solares.
Eficiencia y coste
Para producir un cambio de verdad en el mercado, afirma Rech, tienes que hacer "las células eficientes más baratas o las células baratas más eficientes". Ahora los clientes, también seleccionan mejor y están al tanto de las innovaciones que suponen una mejora del rendimiento o del precio.
Hay muchas ideas al respecto. Una de ellas es de Zoltan Kiss, el fundador de Amelio Solar Inc., Nueva Jersey, Estados Unidos. Implica coger dos cristales, equipar cada uno de ellos con un sistema solar de capa fina y laminarlos juntos para producir un módulo tándem. El tándem fotovoltaico combina un módulo de capa fina fabricado a base de silicio amorfo con uno de CIGS (una combinación de varios minerales), de forma que se alcanza una efectividad del 13%. De esta forma, se evita los peligros del cadmio, según Zoltan Kiss. De hecho, Amelio Solar no utiliza el cadmio en absoluto. Al contrario que las células CIGS convencionales, el dúo del que hablamos no utiliza el sulfato de cadmio como una de las capas base. Aunque un módulo de capa fina de silicio amorfo no es tan potente como su rival CIGS, proporciona una serie de ventajas. Sobre todo producciones más elevadas a temperaturas elevadas.
Hay factores físicos que explican esta tendencia hacia los tandems. Las células solares sólo pueden convertir una parte de la luz que reciben. Esto se debe a que los fotones que llegan requieren de un nivel mínimo de energía antes de excitar al electrón y lanzarlo fuera de su posición en el átomo del semiconductor. De esta forma, se infrautiliza una gran parte del espectro de luz solar. La radiación infrarroja con una longitud de onda menor a 1.100 nm, por ejemplo, no produce electricidad en las células fabricadas a partir del silicio. Incluso en los rangos de luz ultravioleta sólo se aprovecha una fracción de la energía. Y el único efecto que produce esa energía es el calentamiento de los módulos.
Límite teórico
En 1961, los físicos William Shockeley y Hans-Joachim Queisser encontraron que la eficiencia de las células de silicio convencionales con una trasición p-n y una radiación solar normal está limitada a sólo el 30% por todos los motivos expuestos anteriormente... teóricamente. En la práctica, el resultado es menos impresionante. Las células de silicio convencionales apenas alcanzan el 16%. Los productores de células de capa fina apenas llegan al 10%, según tecnlogías.
Así vemos que para crear células solares más eficientes, los investigadores emplean un truco: superponen varios sistemas diferentes que son lo suficientemente finos como par permitir el paso de la luz y utilizan una amplia variedad de rangos de frecuencia del espectro solar. Investigadores del Instituto Fraunhofer, por ejemplo, han desarrollado células solares multi-juntura fabricadas a base de galio, indio y y arseniuro desde 1999. Se les denomina materiales III-V.
La combinación es compleja
De todas formas, debido a que los semiconductores exhiben diferentes arreglos atómicos en la estructura cristalina, estos materiales sólo pueden ser combinados con otros a través de trucos. Diferencias en las constantes complican el crecimiento de las capas semiconductoras basadas en materiales III-V con calidad de cristal y producen defectos en el material. Los investigadores del Fraunhofer Institute han conseguido solucionar este problema localizando los defectos en las áraeas eléctricamente inactivas de la célula solar, han alcanzado una eficiencia del 41%, un récord mundial. Sin embargo, este tipo de células son útiles únicamente en sistemas de concentración.
La búsqueda de alternativas
Para reducir costes, los expertos han estado investigando en busca de alternativas. En Estados Unidos, por ejemplo, Sunovia Energy Technologies Inc., de
Sarasota, Florida, y Epir Technologies Inc. de Bolingbrook, Illinois, están combinando teluro de cadmio (CdTe) y silicio. El complicado proceso de cristalización necesario para producir este desarrollo, se utilizaba originamente para producir cámaras infrarrojas para el ejército.
Este proceso, según Carl Smith, CEO de Sunovia, también puede ser utilizado para producir células solares ultraeficientes, a un coste cinco veces menor de lo que supone utilizar los materiales III-V. Ningún otro productor puede fabricar más barato.
"Nuestra nueva tecnología solar tiene el potencial de revolucionar la producción de electricidad", afirma Smith. " Ya hemos firmado un contrato para construir la planta fotovoltaica de concentración más grande del mundo, que generará una gran cantidad de puestos de trabajo. Esta planta se situará en el Parque Cibernético de Santo Domingo, República Dominicana, y tendrá una capacidad de 20 Mw.
Es necesario encontrar un equilibrio entre el aumento de coste de producción y el aumento de producción de la electricidad, lógicamente. El silicio continuará siendo el material base para las aplicaciones convencionales. La razón es que se trata del semiconductor más abundante -a pesar de su escasez- y que los sistemas basados en el silicio son los que tienen más investigaciones a sus espaldas.
Ya hay varias empresas que fabrican módulos de silicio extrafinos. La empresa alemana Inventux Technlogy AG, por ejemplo, produce módulos fotovoltaicos micromorfos utilizando una tecnología desarrollada por Oerlikon Solar. Lo consiguen combinando capas superpuestas de silicio microcristalino y amorfo, lo que resulta en eficiencias significativamente mayores, ya que la capa amorfa convierte la porción visible del espectro de luz, mientras que la capa microcristalina absorbe la energía del rango infrarrojo.
Silicio amorfo sobre sustrato monocristalino
Sanyo Electric Co.Ltd. de Osaka, Japón, es otra compañía que está investigando en nuevos conceptos de módulos solares. Ya ha alcanzado una eficiencia del 23% en su célula Sanyo HIT, aunque esta eficiencia sólo es obtenida bajo condiciones de laboratorio. Aún así, su formato es aplicable a condiciones reales. HIT significa "Heterojuntura con capa fina intrínseca", un método en el que se depositan varias capas finas de silicio amorfo y TCO sobre un sustrato de silicio monocristalino. Estos módulos híbridos alcanzan muy elevadas eficiencias y excelentes niveles de producción de electricidad, incluso a elevadas temperaturas. Sanyo planea utilizar este método de desarrollar y fabricar módulos de capa fina en una joint venture con la empresa japonesa Nippon Oil Corp.
Las obleas necesitan de nuevas estructuras
"Está quedando claro que las eficiencias más elevadas para las células basadas en obleas sólo se podrán mantener mediante pasos y estructuras adicionales", declara Bernd Rau, miembro fundacional de Roth & Rau Ag. " En cada caso, el objetivo es incrementar la densidad del transporte de carga que puede ser generado mediante fotones".
Según Rau, los clientes quieren asegurarse de que pueden continuar utilizando el equipo de fabricación de módulos para generaciones futuras de módulos solares, de forma que puedan amortizarlos. Este es el motivo por el que los avances e innovaciones tecnológicas no siempre son bienvenidos en el sector fotovoltaico. Aún así, siempre hay pioneros que deciden hacer las cosas de forma muy diferente, como Sanyo o los pocos proveedores que colocan la conducción de carga en la parte trasera para aprovechar completamente la recepción de luz en la parte frontal de la placa.
Hay una tendencia, sin embargo, que no puede evitarse, dice Rau."Las células son cada vez más finas, lo que hace posible utilizar capas reflectoras en la parte trasera de la placa. De esta forma, necesitas menos material y aún puedes conseguir eficiencias elevadas. Según Hohestein Ernstthal, "la capas TCO todavía tienen mucho que ofrecer. Estoy convencido de que el futuro de este material contiene muchas sorpresas".
Obleas más finas
Los fabricantes de células se encuentran ellos mismos bajo presión para utilizar obleas más finas. "Aún se pueden utilizar obleas de 180 micras siguiendo el concepto tradicional, pero de verdad que éste es el límite, según el Instituto Fraunhofer. Con una metalización de la parte trasera a través de una capa de aluminio, sin embargo, las obleas de esta anchura presentan un problema: el alabeo, es decir, la curvatura de una superficie originalmente plana. Si queremos aplicar obleas más finas, es necesario desarrollar nuevos conceptos". En el futuro,será necesario "reconsiderar cada innovación, planteándose qué bienes de equipo son necesarios para fabricar módulos que integren esas innovaciones". De hecho, las capas ultrafinas no deberían ser calentadas, para evitar la deformación.
El Instituto Fraunhofer no es el único que está investigando la manera de evitar el recalentamiento. Pronto será posible ejecutar la metalización en dos pasos. El níquel está siendo utilizado como capa de contacto sobre la cual se deposita un metal muy conductor, Puede ser la plata, aunque ésta resulta muy cara. O el cobre, aunque en ese caso es imprescindible evitar que el cobre entre en contacto con el silicio, o que corroa las capas de polímeros. La conducción mediante cobre debe ser sellada en ese caso. Si esta línea de investigación funciona, la metalización a través de cobre puede resultar muy interesante desde un punto de vista económico.
Aún queda mucho por hacer
Otra palabra clave de la investigación sobre los módulos fotovoltaicos del mañana es "pasivación dieléctrica", que implica la generación térmica de una capa de óxido de silicio. Pero este método tradicional tiene el inconveniente de que la oblea debe estar oxidada durante una periodo relativamente largo y a temperaturas que alcanzan los 900ºC. De forma alternativa, también sería posible depositar una capa de silicio amorfo, nitrato de silicio o algún otro material."La ventaja de esta opción es que estos sistemas ya están siendo aplicados en el proceso de producción".
Hay incluso otra tercera posibilidad: una capa de óxido de aluminio, que presenta una carga negativa muy elevada, y es por tanto mejor opción que los otros métodos anteriormente presentados. El único inconveniente, según el Fraunhofer Institute, es que "este proceso está basado en la Deposición Atómica de Capas, un proceso químico que superpone capas a nivel atómico, pero que está más pensado para ser exacto que para ser rápido."
También se está experimentando con materiales orgánicos. "Proporcionan un gran número de funcionalidades, y además pueden ser producidos en colores diferentes.
Fuente: Solar and Wind News, septiembre 2009.
Así vemos que para crear células solares más eficientes, los investigadores emplean un truco: superponen varios sistemas diferentes que son lo suficientemente finos como par permitir el paso de la luz y utilizan una amplia variedad de rangos de frecuencia del espectro solar. Investigadores del Instituto Fraunhofer, por ejemplo, han desarrollado células solares multi-juntura fabricadas a base de galio, indio y y arseniuro desde 1999. Se les denomina materiales III-V.
La combinación es compleja
De todas formas, debido a que los semiconductores exhiben diferentes arreglos atómicos en la estructura cristalina, estos materiales sólo pueden ser combinados con otros a través de trucos. Diferencias en las constantes complican el crecimiento de las capas semiconductoras basadas en materiales III-V con calidad de cristal y producen defectos en el material. Los investigadores del Fraunhofer Institute han conseguido solucionar este problema localizando los defectos en las áraeas eléctricamente inactivas de la célula solar, han alcanzado una eficiencia del 41%, un récord mundial. Sin embargo, este tipo de células son útiles únicamente en sistemas de concentración.
La búsqueda de alternativas
Para reducir costes, los expertos han estado investigando en busca de alternativas. En Estados Unidos, por ejemplo, Sunovia Energy Technologies Inc., de
Sarasota, Florida, y Epir Technologies Inc. de Bolingbrook, Illinois, están combinando teluro de cadmio (CdTe) y silicio. El complicado proceso de cristalización necesario para producir este desarrollo, se utilizaba originamente para producir cámaras infrarrojas para el ejército.
Este proceso, según Carl Smith, CEO de Sunovia, también puede ser utilizado para producir células solares ultraeficientes, a un coste cinco veces menor de lo que supone utilizar los materiales III-V. Ningún otro productor puede fabricar más barato.
"Nuestra nueva tecnología solar tiene el potencial de revolucionar la producción de electricidad", afirma Smith. " Ya hemos firmado un contrato para construir la planta fotovoltaica de concentración más grande del mundo, que generará una gran cantidad de puestos de trabajo. Esta planta se situará en el Parque Cibernético de Santo Domingo, República Dominicana, y tendrá una capacidad de 20 Mw.
Es necesario encontrar un equilibrio entre el aumento de coste de producción y el aumento de producción de la electricidad, lógicamente. El silicio continuará siendo el material base para las aplicaciones convencionales. La razón es que se trata del semiconductor más abundante -a pesar de su escasez- y que los sistemas basados en el silicio son los que tienen más investigaciones a sus espaldas.
Ya hay varias empresas que fabrican módulos de silicio extrafinos. La empresa alemana Inventux Technlogy AG, por ejemplo, produce módulos fotovoltaicos micromorfos utilizando una tecnología desarrollada por Oerlikon Solar. Lo consiguen combinando capas superpuestas de silicio microcristalino y amorfo, lo que resulta en eficiencias significativamente mayores, ya que la capa amorfa convierte la porción visible del espectro de luz, mientras que la capa microcristalina absorbe la energía del rango infrarrojo.
Silicio amorfo sobre sustrato monocristalino
Sanyo Electric Co.Ltd. de Osaka, Japón, es otra compañía que está investigando en nuevos conceptos de módulos solares. Ya ha alcanzado una eficiencia del 23% en su célula Sanyo HIT, aunque esta eficiencia sólo es obtenida bajo condiciones de laboratorio. Aún así, su formato es aplicable a condiciones reales. HIT significa "Heterojuntura con capa fina intrínseca", un método en el que se depositan varias capas finas de silicio amorfo y TCO sobre un sustrato de silicio monocristalino. Estos módulos híbridos alcanzan muy elevadas eficiencias y excelentes niveles de producción de electricidad, incluso a elevadas temperaturas. Sanyo planea utilizar este método de desarrollar y fabricar módulos de capa fina en una joint venture con la empresa japonesa Nippon Oil Corp.
Las obleas necesitan de nuevas estructuras
"Está quedando claro que las eficiencias más elevadas para las células basadas en obleas sólo se podrán mantener mediante pasos y estructuras adicionales", declara Bernd Rau, miembro fundacional de Roth & Rau Ag. " En cada caso, el objetivo es incrementar la densidad del transporte de carga que puede ser generado mediante fotones".
Según Rau, los clientes quieren asegurarse de que pueden continuar utilizando el equipo de fabricación de módulos para generaciones futuras de módulos solares, de forma que puedan amortizarlos. Este es el motivo por el que los avances e innovaciones tecnológicas no siempre son bienvenidos en el sector fotovoltaico. Aún así, siempre hay pioneros que deciden hacer las cosas de forma muy diferente, como Sanyo o los pocos proveedores que colocan la conducción de carga en la parte trasera para aprovechar completamente la recepción de luz en la parte frontal de la placa.
Hay una tendencia, sin embargo, que no puede evitarse, dice Rau."Las células son cada vez más finas, lo que hace posible utilizar capas reflectoras en la parte trasera de la placa. De esta forma, necesitas menos material y aún puedes conseguir eficiencias elevadas. Según Hohestein Ernstthal, "la capas TCO todavía tienen mucho que ofrecer. Estoy convencido de que el futuro de este material contiene muchas sorpresas".
Obleas más finas
Los fabricantes de células se encuentran ellos mismos bajo presión para utilizar obleas más finas. "Aún se pueden utilizar obleas de 180 micras siguiendo el concepto tradicional, pero de verdad que éste es el límite, según el Instituto Fraunhofer. Con una metalización de la parte trasera a través de una capa de aluminio, sin embargo, las obleas de esta anchura presentan un problema: el alabeo, es decir, la curvatura de una superficie originalmente plana. Si queremos aplicar obleas más finas, es necesario desarrollar nuevos conceptos". En el futuro,será necesario "reconsiderar cada innovación, planteándose qué bienes de equipo son necesarios para fabricar módulos que integren esas innovaciones". De hecho, las capas ultrafinas no deberían ser calentadas, para evitar la deformación.
El Instituto Fraunhofer no es el único que está investigando la manera de evitar el recalentamiento. Pronto será posible ejecutar la metalización en dos pasos. El níquel está siendo utilizado como capa de contacto sobre la cual se deposita un metal muy conductor, Puede ser la plata, aunque ésta resulta muy cara. O el cobre, aunque en ese caso es imprescindible evitar que el cobre entre en contacto con el silicio, o que corroa las capas de polímeros. La conducción mediante cobre debe ser sellada en ese caso. Si esta línea de investigación funciona, la metalización a través de cobre puede resultar muy interesante desde un punto de vista económico.
Aún queda mucho por hacer
Otra palabra clave de la investigación sobre los módulos fotovoltaicos del mañana es "pasivación dieléctrica", que implica la generación térmica de una capa de óxido de silicio. Pero este método tradicional tiene el inconveniente de que la oblea debe estar oxidada durante una periodo relativamente largo y a temperaturas que alcanzan los 900ºC. De forma alternativa, también sería posible depositar una capa de silicio amorfo, nitrato de silicio o algún otro material."La ventaja de esta opción es que estos sistemas ya están siendo aplicados en el proceso de producción".
Hay incluso otra tercera posibilidad: una capa de óxido de aluminio, que presenta una carga negativa muy elevada, y es por tanto mejor opción que los otros métodos anteriormente presentados. El único inconveniente, según el Fraunhofer Institute, es que "este proceso está basado en la Deposición Atómica de Capas, un proceso químico que superpone capas a nivel atómico, pero que está más pensado para ser exacto que para ser rápido."
También se está experimentando con materiales orgánicos. "Proporcionan un gran número de funcionalidades, y además pueden ser producidos en colores diferentes.
Fuente: Solar and Wind News, septiembre 2009.
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