Eficiencia en las nuevas tecnologías de células fotovoltaicas

Dentro de las energías renovables, la industria de la energía solar fotovoltaica es una de las más destacadas, con más ratio de crecimiento anual a nivel mundial. Por ello las principales compañías de fabricantes, de ensambladores, etc., están continuamente investigando en la búsqueda de nuevas tecnologías que permitan aumentar la eficiencia de los módulos y/o para abaratar los precios de los módulos fotovoltaicos y así producir kWh mucho más económicos.

El elemento más básico y fundamental de las instalaciones fotovoltaicas es la célula o celda y el principio físico de funcionamiento en el que se basa la energía fotovoltaica es el efecto fotoeléctrico que consiste en la conversión directa de los fotones de la luz en energía eléctrica al interactuar con un material conductor o semiconductor.

Por tanto las células fotovoltaicas pueden fabricarse utilizando diferentes materiales y en consecuencia cada tipo de célula tiene características particulares que condicionan la eficiencia en la conversión energética que puede darse. En base a la tipología de materiales utilizados se suele realizar una clasificación, donde la característica de eficiencia energética tiene un recorrido presente y futuro diferenciado.

El Laboratorio Nacional de Energías Renovables (National Renewable Energy Laboratory, NREL) tiene publicado un gráfico, que actualiza con frecuencia, con el desarrollo de las diferentes tecnologías fotovoltaicas tanto maduras como en fase de investigación a nivel mundial, donde se aprecia el rango de eficiencia en el que se mueven.

¿Cuáles son las principales tecnologías de células fotovoltaicas actuales?

La primera de las tecnologías clásicas de las células foltovoltaicas es la de las células mono-cristalinas (m-Si). Quizás las primeras en desarrollarse históricamente. Se producen mediante el proceso clásico de Czochralski con el que se hace crecer silicio en lingotes cilíndricos para conseguir material de Si con un elevado orden cristalino. Después se cortan en finas obleas y con formas cuasi-cuadradas para adaptarlas a los módulos, alcanzando eficiencias del 27%, aunque comercialmente son ligeramente inferiores.

Posteriormente surgieron las células poli-cristalinas (p-Si), las más implantadas a nivel comercial, pues tiene niveles buenos de eficiencia menores que las mono-cristalinas, pero son más fáciles de fabricar mediante la solidificación de un gran bloque de silicio fundido, que seguidamente se corta en bloques primásticos y posteriormente en obleas. Así se han alcanzado a nivel laboratorio, eficiencias del 22%, algo menores en mercado.

Dentro de la tecnología de unión simple destacan las células de Arseniuro de Galio (GaAs), compuestas por una combinación de galio (Ga) y arsénico (As), similares en cuanto a estructura a las de silicio, pero más eficientes, más resistentes al calor y más ligeras que aquéllas pero más costosas de producir que las de m-Si. Poseen mayor eficiencia y un menor peso los costos de producción son mucho más altos que los de las p-Si y las m-Si. Tienen eficiencias cercanas al 30%, e incluso superiores en módulos con concentración.

Por otro lado está la tecnología de capa fina o película delgada (TFSC), que se elabora mediante deposición o precipitado por evaporación en vacío de capas delgadas de material (inferiores a 10 micras) sobre un sustrato polimérico, metal o vidrio. El material suele ser teluro de cadmio (CdTe), diseleniuro de indio con cobre (CuInSe2 o “CIS”) o seleniuro de galio, indio y cobre (CuInGaSe2 o “CIGS”). La principal ventaja de esta tecnología es que la cantidad de materia es aproximadamente el 1% de la que se usa en células cristalinas por lo que son bastante flexibles y ligeras lo que facilita su integración arquitectónica, sin embargo la eficiencia se resiente.

Un tipo de las de capa fina son las células de Silicio Amorfo (a-Si), de las más comercializadas debido fundamentalmente a su bajo costo. El silicio amorfo no forma ninguna estructura cristalina regular, sino una red desordenada, pero tienen el inconveniente de que presentan un bajo rendimiento debido al envejecimiento que se da en las células durante los primeros 6 a 12 meses. La eficiencia estabilizada que se alcanza es del 5% aproximadamente.

Las células de Teluro de Cadmio (CdTe) tienen un menor costo de producción que las células de silicio cristalino, debido a que el CdTe es más fácil de depositar y la metodología es muy apropiada para la producción a gran escala rentablemente, pero la eficiencia es más reducida, pues en los módulos comerciales se mueven en torno al 9%, aunque en laboratorio se han alcanzado eficiencias mayores.

Las células de seleniuro de cobre e indio (CIS) y seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) están alcanzando gran cuota de mercado entre las de capa fina, con eficiencia del 13% en módulos comerciales pero superiores al 20% en laboratorio.

Ya más en estado de desarrollo están las células solares orgánicas poliméricas (OPV), por lo que el grado de comercialización es escaso. Se desarrollan a partir de semiconductores de película delgada, de materiales orgánicos, como polímeros o compuestos de moléculas pequeñas, mediante un proceso de impresión con el uso de herramientas muy especializadas. Su eficiencia es muy pobre aunque su coste de producción también es reducido.

También con poca cuota de mercado están las células solares híbridas que son la combinación de materiales semiconductores inorgánicos y orgánicos. Las inorgánicas suelen tener buena eficiencia mientras las orgánicas bajo costo de producción. Por lo tanto, la célula solar híbrida combina la ventaja de estas dos tecnologías. Un ejemplo de esta tecnologa es la hetero unión con capas finas intrincada o HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin Layers).
Y también en fase de desarrollo precompetitivo están las células solares sensibilizadas por colorante (DSSC o Dye-Sensitized Solar Cells) que destacan sobre todo por las características estéticas (colores y transparencia) no tanto por su eficiencia. Tienen un bajo costo de producción y se fabrican mediante un proceso simple.

Hemos visto las tecnologías de células fotovoltaicas, en mayor o menor grado de desarrollo, que nos encontramos hoy en día, donde el silicio es, sin duda, el material dominante en el mercado.

Sin embargo en la actualidad se están llevando a cabo diferentes líneas de investigación centradas en el incremento de eficiencia de los módulos fotovoltaicos. De entre ellas destacan aquellas focalizadas en el estudio de los materiales fotosensibles más destacados actualmente: el cobre (Cu), el dióxido de titanio (TiO2) y la perovskita. Pero a pesar de ser los materiales con mayor proyección futura como alternativas a los actuales, existen una serie de diferencias entre ellos: el cobre requiere trabajar en altas temperaturas mientras que el dióxido de titanio y la perovskita pueden ser moldeadas a bajas temperaturas, lo que facilita su manipulación. Por otro lado el dióxido de titanio tiene una conductividad eléctrica reducida lo que no favorece la eficiencia de las celdas fotovoltaicas, mientras que la perovskita tiene un nivel alto de conductividad y el cobre un nivel muy alto.
Por ello, a priori el cobre parecería ser el material más prometedor como material con posibilidades para alcanzar buenas eficiencias, pero las perovskitas tienen la ventaja de su fácil y barata implementación a nivel industrial.

¿Y qué son las perovskitas?

En realidad la perovskita no es más que una ordenación que toman algunos minerales en la naturaleza, y el primero que se descubrió con esa estructura se llamó así. Esta ordenación sigue la fórmula estequiométrica ABX3. Pero las perovskitas que han atraído la atención de la comunidad científica son aquellas que son híbridas, con iones orgánicos e inorgánicos, que es lo que las hace especiales. Lo bueno es que se pueden obtener con relativa facilidad, de forma barata y sin emisiones, dando como resultado una película delgada y ligera que se puede adaptar a cualquier forma, lo que permitiría fabricar paneles solares de forma sencilla, eficiente y con un resultado adaptable y fácil de instalar. Para producir una pequeña lámina de perovskitas de estas características, se colocan los ingredientes sobre una placa de vidrio apoyada en un eje de revolución, y en primer lugar se realiza la mezcla de los precursores, normalmente yoduro de plomo y yoduro de metilamonio. Depositada la mezcla sobre dicha placa de vidrio se hace girar a un mínimo de 5.000 rpm. Posteriormente, la mezcla totalmente uniformizada sobre el vidrio se calienta a unos 100ºC durante al menos una hora, obteniéndose finalmente una placa con una lámina de perovskita ABX3. La primera celda de perovskita que se hizo tenía una eficiencia del 3%. Hoy en día se ha superado el 20%.

Por tanto las perovskitas requieren un procesado de los materiales mucho más sencillo que el silicio y necesita temperaturas mucho más bajas. Se ha conseguido que sea una tecnología eficiente, pero sigue investigando para que sea lo más estable posible.

Más seguras y estables, si bien menos eficientes por el momento, son las denominadas kesteritas. Son un material totalmente inorgánico, hecho de elementos muy abundantes en la corteza terrestre (contienen cobre, zinc estaño y azufre o selenio), económicos y sostenibles de extraer. Pero las kesteritas aún tienen una eficiencia relativamente baja, de poco más del 12%, según datos del National Renewable Energy Laboratory (NREL).

En definitiva, dada la creciente importancia de la energía solar fotovoltaica como una de las principales energías renovables, los fabricantes invierten buena parte de recursos en investigación, buscando conseguir células solares cada vez más eficientes y económicas, por ello las últimas líneas de investigación se enfoca a encontrar materiales abundantes en la corteza terrestre y que ofrezcan una eficiencia destacada, para posteriormente diseñar la forma de producir las células en cadena y a bajo costo.

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Autor: José Javier Díez Vidal, docente del Máster en Energías Renovables y Eficiencia Energética.