Célula solar - Solar cell

Una célula solar de silicio cristalino convencional (a partir de 2005). Los contactos eléctricos hechos de barras colectoras (las tiras plateadas más grandes) y los dedos (los más pequeños) están impresos en la oblea de silicio .
Símbolo de una célula fotovoltaica.

Una célula solar , o célula fotovoltaica , es un dispositivo eléctrico que convierte la energía de la luz directamente en electricidad mediante el efecto fotovoltaico , que es un fenómeno físico y químico . Es una forma de célula fotoeléctrica, definida como un dispositivo cuyas características eléctricas, como la corriente , el voltaje o la resistencia , varían cuando se exponen 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 celda solar de silicio de unión simple común puede producir un voltaje máximo de circuito abierto de aproximadamente 0,5 a 0,6 voltios.

Las células solares se describen como fotovoltaicas , independientemente de si la fuente es la luz solar o una luz 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 celda fotovoltaica (PV) requiere tres atributos básicos:

Por el contrario, un colector solar térmico suministra calor mediante la absorción de la luz solar , con el fin de calentar directamente o generar energía eléctrica indirectamente a partir del calor. Una "celda fotoelectrolítica" ( celda fotoelectroquímica ), por otro lado, se refiere a un tipo de celda fotovoltaica (como la desarrollada por Edmond Becquerel y las modernas celdas solares sensibilizadas con colorante ), o a un dispositivo que divide el agua directamente en hidrógeno y Oxígeno usando solo iluminación solar.

Las células fotovoltaicas y los colectores solares son los dos medios para producir energía solar .

Aplicaciones

De una célula solar a un sistema fotovoltaico. Diagrama de los posibles componentes de un sistema fotovoltaico

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 térmico solar" o un "panel solar de agua caliente". Una matriz solar genera energía solar utilizando energía solar .

Células, módulos, paneles y sistemas

Varias células solares en un grupo integrado, todas orientadas en un plano, constituyen un panel o módulo solar fotovoltaico . Los módulos fotovoltaicos a menudo tienen una hoja de vidrio en el lado que mira hacia el sol, lo que permite que la luz pase mientras protege las obleas semiconductoras . Las células solares generalmente se conectan en serie creando voltaje aditivo. Conectar 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) (varias celdas conectadas en serie) causando una pérdida sustancial de energía y posibles daños debido a la polarización inversa aplicada a las celdas sombreadas por sus socios iluminados. .

Aunque los módulos se pueden interconectar para crear una matriz con la tensión de CC máxima deseada y la capacidad de corriente de carga, lo que se puede hacer con o sin MPPT independientes ( seguidores de punto de máxima potencia ) o, específicos para cada módulo, con o sin electrónica de potencia de nivel de módulo. (MLPE) como microinversores u optimizadores DC-DC . Los diodos de derivación pueden reducir la pérdida de potencia de sombreado en arreglos con celdas conectadas en serie / paralelo.

Precios típicos del sistema fotovoltaico en 2013 en países seleccionados (US $ / W)
Australia porcelana Francia Alemania Italia Japón Reino Unido Estados Unidos
 Residencial 1.8 1,5 4.1 2.4 2.8 4.2 2.8 4.9
 Comercial 1,7 1.4 2,7 1.8 1,9 3.6 2.4 4.5
 Escala de utilidad 2.0 1.4 2.2 1.4 1,5 2.9 1,9 3.3
Fuente: IEA - Hoja de ruta tecnológica: Informe de energía solar fotovoltaica , edición de 2014
Nota: DOE - Tendencias de precios de sistemas fotovoltaicos informa precios más bajos para EE. UU.

Para 2020, el costo por vatio en Estados Unidos para un sistema de báscula de servicios públicos había disminuido a $ .94.

Historia

El efecto fotovoltaico fue demostrado experimentalmente por primera vez por el físico francés Edmond Becquerel . En 1839, a los 19 años, construyó la primera celda 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 un número de Nature del 20 de febrero de 1873 . En 1883, Charles Fritts construyó la primera celda fotovoltaica de estado sólido recubriendo el semiconductor de selenio con una fina capa de oro para formar las uniones; el dispositivo solo tenía una eficiencia de alrededor del 1%. Otros hitos incluyen:

Aplicaciones espaciales

La NASA usó células solares en su nave espacial desde el principio. Por ejemplo, Explorer 6 , lanzado en 1959, tenía cuatro matrices que se desplegaban una vez en órbita. Proporcionaron energía durante meses en el espacio.

Las células solares se utilizaron por primera vez en una aplicación destacada cuando se propusieron y volaron en el satélite Vanguard en 1958, como una 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 , con grandes paneles solares en forma de ala, que se convirtió en una característica común en los satélites. Estas matrices constaban de 9600 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 una serie de sondas en el 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 podrían 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 National Science Foundation 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 la nave espacial cambió a materiales semiconductores III-V basados ​​en arseniuro de galio , que luego evolucionaron hasta convertirse en la moderna célula fotovoltaica multifuncional III-V utilizada. en naves espaciales.

En los últimos años, la investigación se ha orientado hacia el diseño y la 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 para celdas solares requieren que las celdas y los arreglos sean altamente eficientes y extremadamente livianos. Algunas de las tecnologías más nuevas implementadas en los satélites son las células fotovoltaicas de múltiples uniones, que se componen de diferentes uniones PN con rangos de banda variables para utilizar un espectro más amplio de la energía solar. Además, los satélites grandes requieren el uso de grandes paneles solares para producir electricidad. Estos paneles solares deben descomponerse para adaptarse a las restricciones geométricas del vehículo de lanzamiento en el que viaja el satélite antes de ser inyectado en órbita. Históricamente, las células solares de los satélites consistían en varios pequeños paneles terrestres plegados. Estos pequeños paneles se desplegarán en un panel grande después de que el satélite se despliegue en su órbita. Los satélites más nuevos tienen como objetivo utilizar paneles solares enrollables flexibles que son muy ligeros y se pueden empaquetar en un volumen muy pequeño. El tamaño y el peso más pequeños de estos arreglos flexibles disminuyen drásticamente el costo total de lanzamiento de un satélite debido a la relación directa entre el peso de la carga útil y el costo de lanzamiento de un vehículo de lanzamiento.

Métodos de fabricación mejorados

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 ninguna razón para invertir en soluciones de menor costo y menos eficientes. El precio fue determinado en gran parte por 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 bajó su precio, 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.

A finales de 1969, Elliot Berman se unió al grupo de trabajo de Exxon que estaba buscando 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. El grupo había llegado a la conclusión de que la energía eléctrica sería mucho más cara para el año 2000 y consideró 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 alrededor de $ 20 / vatio crearía una demanda significativa. 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 utilizados 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. Las células solares podrían fabricarse con material desechado del mercado de la electrónica. En 1973, anunciaron un producto y SPC convenció a Tideland Signal de que usara sus paneles para impulsar boyas de navegación , inicialmente para la Guardia Costera de EE. UU.

Investigación y producción industrial

La investigación sobre energía solar para aplicaciones terrestres se hizo prominente con 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 de 1969 a 1977, y financió la investigación sobre el desarrollo de energía solar para electricidad terrestre. sistemas de poder. Una conferencia de 1973, la "Conferencia Cherry Hill", estableció los objetivos tecnológicos necesarios para lograr este objetivo y delineó un proyecto ambicioso para lograrlos, dando inicio a un programa de investigación aplicada que estaría en curso durante varias décadas. El programa finalmente fue asumido por la Administración de Investigación y Desarrollo de Energía (ERDA), que luego se fusionó con el Departamento de Energía de EE. UU .

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 tenían divisiones de energía solar importantes durante las décadas de 1970 y 1980. También participaron empresas de tecnología, incluidas General Electric, Motorola, IBM, Tyco y RCA.

Precio por vatio histórico para las células solares convencionales ( c-Si ) desde 1977
Ley de Swanson : la curva de aprendizaje de la energía solar fotovoltaica
Crecimiento de la energía fotovoltaica : capacidad fotovoltaica total instalada en todo el mundo

Costos y crecimiento

Ajustándose a la inflación, costaba $ 96 por vatio para un módulo solar a mediados de la década de 1970. Las mejoras en el proceso y un gran aumento en la producción han reducido esa cifra en más del 99%, a 30 ¢ por vatio en 2018 y tan solo a 20 ¢ por vatio en 2020. La ley de Swanson es una observación similar a la Ley de Moore que establece que la energía solar los precios de las células caen un 20% por cada duplicación de la capacidad de la industria. Apareció en un artículo del semanario británico The Economist a fines de 2012. El balance de los costos del sistema era entonces más alto que el de los paneles. Se podrían construir grandes matrices comerciales, a partir de 2018, a menos de $ 1,00 el vatio, completamente en servicio.

A medida que la industria de los semiconductores se trasladó a bolas cada vez más grandes , los equipos más antiguos se volvieron baratos. El tamaño de las celdas creció a medida que el equipo estaba disponible en el mercado de excedentes; Los paneles originales de ARCO Solar usaban 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 usaban 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 fines de la década de 1990 y principios de la de 2000 llevó a la 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 cubas grandes 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 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 oz) 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 redujo los precios de los módulos solares cristalinos a alrededor de $ 1,09 por vatio por debajo de 2010. Los precios continuaron cayendo en 2012, alcanzando $ 0,62 / vatio en el 4T2012.

La energía solar fotovoltaica está creciendo más rápidamente en Asia, y China y Japón representan actualmente la mitad del despliegue mundial . La capacidad fotovoltaica instalada global alcanzó al menos 301 gigavatios en 2016 y creció para suministrar el 1,3% de la energía mundial en 2016.

Volumen de energía de las células solares de silicio y el aceite aprovechado por los seres humanos por dólar; Intensidad de carbono de algunas tecnologías clave de generación de electricidad.

Se anticipó que la electricidad de la energía fotovoltaica será competitiva con los costos de electricidad al por mayor en toda Europa y el tiempo de recuperación de la energía de los módulos de silicio cristalino se puede reducir a menos de 0,5 años para 2020.

Subsidios y paridad de red

Las tarifas de alimentación específicas de energía solar varían según el país y dentro de los países. 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 la red primero en áreas con abundante sol y altos costos de electricidad, como en California y Japón . En 2007, BP reclamó la paridad de la red para Hawai y otras islas que de otra manera usan combustible diesel para producir electricidad. George W. Bush fijó 2015 como la fecha para la paridad de la red en los EE. UU. La Asociación Fotovoltaica informó en 2012 que Australia había alcanzado la paridad de red (ignorando la alimentación en las tarifas).

El precio de los paneles solares cayó de manera constante durante 40 años, interrumpido en 2004 cuando los altos subsidios en Alemania aumentaron drásticamente la demanda allí y aumentaron enormemente el precio del silicio purificado (que se usa en chips de computadora y paneles solares). La recesión de 2008 y el inicio de la fabricación china hicieron que los precios reanudaran su descenso. En los cuatro años posteriores a enero de 2008, los precios de los módulos solares en Alemania cayeron de 3 € a 1 € por vatio pico. Durante ese mismo tiempo, la capacidad de producción aumentó con un crecimiento anual de más del 50%. China aumentó su participación de mercado del 8% en 2008 a más del 55% en el último trimestre de 2010. En diciembre de 2012, el precio de los paneles solares chinos había caído a $ 0,60 / Wp (módulos cristalinos). (La abreviatura Wp significa capacidad máxima en vatios, o la capacidad máxima en condiciones óptimas).

A fines de 2016, se informó que los precios al contado de los paneles solares ensamblados (no de las celdas) habían caído a un mínimo histórico de US $ 0.36 / Wp. El segundo proveedor más grande, Canadian Solar Inc., había reportado costos de US $ 0,37 / Wp en el tercer trimestre de 2016, habiendo caído $ 0,02 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 para fines de 2017. 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 este fuera el caso en la mayor parte del mundo en una década.

Teoría

Esquema de recogida de carga por células solares. La luz se transmite a través de un electrodo conductor transparente creando pares de huecos de electrones, que son recogidos por ambos electrodos.
Mecanismo de trabajo de una célula solar.

La celda solar funciona en varios pasos:

La célula solar más conocida está configurada como una unión p – n de gran área hecha de silicio. Otros posibles tipos de células solares son células solares orgánicas, células solares sensibilizadas con colorante, 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 acumule los portadores de carga generados. Normalmente, las películas con alta transmitancia y alta conductancia eléctrica, como óxido de indio y estaño , polímeros conductores o redes de nanocables conductores, se utilizan para este propósito.

Eficiencia

El límite de Shockley-Queisser para la máxima eficiencia teórica de una célula solar. Los semiconductores con banda prohibida entre 1 y 1,5 eV , o luz del infrarrojo cercano, tienen el mayor potencial para formar una celda de unión simple eficiente. (El "límite" de eficiencia que se muestra aquí puede superarse mediante células solares multifunción ).

La eficiencia de la célula solar se puede dividir en eficiencia de reflectancia, eficiencia termodinámica, eficiencia de separación de portadores de carga y eficiencia de conducción. La eficiencia general es el producto de estas métricas individuales.

La eficiencia de conversión de energía de una celda solar es un parámetro que se define por la fracción de energía incidente convertida en electricidad.

Una celda solar tiene una curva de eficiencia dependiente del voltaje, coeficientes de temperatura y ángulos de sombra permitidos.

Debido a la dificultad en la medición de estos parámetros directamente, se sustituyen otros parámetros: la eficiencia termodinámica, eficiencia cuántica , eficiencia cuántica integrado , V OC ratio, y el factor de llenado. Las pérdidas por reflectancia son una parte de la eficiencia cuántica bajo la " eficiencia cuántica externa ". Las pérdidas por recombinación constituyen otra parte de la eficiencia cuántica, la relación V OC y el factor de relleno. Las pérdidas resistivas se clasifican predominantemente en el factor de relleno, pero también constituyen porciones menores de la eficiencia cuántica, relación V OC .

El factor de llenado es la relación entre la potencia máxima obtenible real y el producto del voltaje de circuito abierto y la corriente de cortocircuito . Este es un parámetro clave para evaluar el desempeño. En 2009, las células solares comerciales típicas tenían un factor de llenado> 0,70. Las células de grado B estaban normalmente entre 0,4 y 0,7. 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 de la corriente producida por la celda se disipa en pérdidas internas.

Los dispositivos de silicio cristalino de unión p-n única se están acercando ahora a la eficiencia energética límite teórica del 33,16%, señalada como el límite Shockley-Queisser en 1961. En el extremo, con un número infinito de capas, el límite correspondiente es del 86% utilizando luz solar concentrada .

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 posterior del panel, eliminando las áreas sombreadas. Además, aplicaron películas delgadas de silicio al frente y la parte posterior de la oblea (silicio de alta calidad) para eliminar defectos en o cerca de la superficie de la oblea.

En 2015, una célula solar GaInP / GaAs // GaInAsP / GaInAs de 4 uniones logró una nueva eficiencia récord de laboratorio del 46,1% (relación de concentración de la luz solar = 312) en una colaboración franco-alemana entre el Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (Fraunhofer ISE) , CEA-LETI y SOITEC.

En septiembre de 2015, Fraunhofer ISE anunció el logro de una eficiencia superior al 20% para las células de obleas epitaxiales . El trabajo para optimizar la cadena de producción en línea de 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.

Para las células solares de película delgada de triple unión, el récord mundial es del 13,6%, establecido en junio de 2015.

En 2016, los investigadores de Fraunhofer ISE anunciaron una celda solar de triple unión GaInP / GaAs / Si con dos terminales que alcanzaban una eficiencia del 30,2% sin concentración.

En 2017, un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL), EPFL y CSEM ( Suiza ) informaron eficiencias récord de un sol del 32,8% para los dispositivos de células solares GaInP / GaAs de unión dual. Además, el dispositivo de doble unión se apiló mecánicamente con una celda solar de Si, para lograr una eficiencia récord de un sol del 35,9% para las celdas solares de triple unión.

Cronograma informado de las eficiencias de conversión de energía de las células solares de investigación ( Laboratorio Nacional de Energía Renovable )

Materiales

Cuota de mercado global en términos de producción anual por tecnología fotovoltaica desde 1990

Las células solares generalmente reciben el nombre del material semiconductor del que están hechas. Estos materiales deben tener ciertas características para absorber la luz solar . Algunas células están diseñadas para manejar 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 simple ) o utilizar múltiples configuraciones físicas ( múltiples uniones ) para aprovechar varios 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 células convencionales, tradicionales o basadas en obleas , están hechas de silicio cristalino , la tecnología fotovoltaica predominante comercialmente, que incluye materiales como polisilicio y silicio monocristalino . Las células de segunda generación son células solares de película delgada , que incluyen silicio amorfo , células CdTe y CIGS y son comercialmente importantes en centrales eléctricas fotovoltaicas a gran escala , sistemas fotovoltaicos integrados en edificios o en pequeños sistemas de energía autónomos . La tercera generación de células solares incluye una serie de tecnologías de película delgada que a menudo se describen 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 sus eficiencias habían sido bajas y la estabilidad del material absorbente era a menudo demasiado corta para aplicaciones comerciales, se ha invertido mucha investigación en estas tecnologías, ya que prometen lograr el objetivo de producir productos de bajo costo y alta eficiencia. células solares.

Silicio cristalino

Con mucho, el material a granel más común para las células solares es el silicio cristalino (c-Si), también conocido como "silicio de grado solar". El silicio a granel se divide en varias categorías según la cristalinidad y el tamaño del cristal en el lingote , la cinta o la oblea resultante . Estas células se basan completamente en el concepto de unión pn . Las células solares hechas de c-Si están hechas de obleas de entre 160 y 240 micrómetros de espesor.

Silicio monocristalino

El techo, el capó y gran parte de la carcasa exterior del Sion están equipados con células de silicio monocristalino de alta eficiencia.

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 multicristal. En consecuencia, los paneles solares monocristalinos ofrecen una mayor eficiencia que sus homólogos multicristalinos. Las esquinas de las celdas se ven recortadas, como un octágono, porque el material de la oblea se corta a partir de lingotes cilíndricos, que normalmente se cultivan mediante el proceso de Czochralski . Los paneles solares que utilizan celdas de mono-Si muestran un patrón distintivo de pequeños diamantes blancos.

Desarrollo de silicio epitaxial

Las obleas epitaxiales de silicio cristalino se pueden cultivar en una oblea "semilla" de silicio monocristalino mediante deposición química en fase de vapor (CVD), y luego se pueden separar como obleas autoportantes de algún grosor estándar (p. Ej., 250 µm) que se pueden manipular a mano, y sustituido directamente por células de obleas 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 costo considerablemente menor si la CVD se puede realizar a presión atmosférica en un proceso en línea de alto rendimiento. La superficie de las obleas epitaxiales puede estar texturizada para mejorar la absorción de luz.

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 .

Silicio policristalino

Las celdas de silicio policristalino o de silicio multicristalino (multi-Si) están hechas de lingotes cuadrados fundidos, grandes bloques de silicio fundido cuidadosamente enfriados y solidificados. Consisten en pequeños cristales que le dan 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 hechas de silicio monocristalino.

Cinta de silicona

El silicio de cinta es un tipo de silicio policristalino: se forma dibujando películas delgadas y planas de silicio fundido y da como resultado una estructura policristalina. Estas celdas son más baratas de fabricar que el multi-Si, debido a una gran reducción en el desperdicio de silicio, ya que este enfoque no requiere serrado de los lingotes . Sin embargo, también son menos eficientes.

Mono-como-multi-silicio (MLM)

Esta forma se desarrolló en la década de 2000 y se introdujo comercialmente alrededor de 2009. También llamado mono fundido, este diseño utiliza cámaras de fundición policristalinas con pequeñas "semillas" de material mono. El resultado es un material mono a granel que es policristalino en el exterior. Cuando se cortan para su procesamiento, las secciones internas son celdas de tipo mono de alta eficiencia (pero cuadradas en lugar de "recortadas"), mientras que los bordes externos se venden como polietileno convencional. Este método de producción da como resultado células de tipo mono a precios de tipo poli.

Película delgada

Las tecnologías de película fina reducen la cantidad de material activo en una celda. La mayoría de los diseños intercalan material activo entre dos paneles de vidrio. Dado que los paneles solares de silicio solo usan un panel de vidrio, los paneles de película delgada son aproximadamente dos veces más pesados ​​que los paneles de silicio cristalino, aunque tienen un impacto ecológico menor (determinado a partir del análisis del ciclo de vida ).

Telururo de cadmio

El telururo de cadmio es el único material de película delgada hasta ahora que 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 techos residenciales. Un metro cuadrado de CdTe contiene aproximadamente la misma cantidad de Cd que una batería de níquel-cadmio de celda única C , en una forma más estable y menos soluble.

Seleniuro de cobre, indio, galio

El seleniuro de cobre, indio, 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 celda solar CIGS ). Los métodos tradicionales de fabricación implican procesos de vacío que incluyen la evaporación conjunta y la pulverización catódica. Los desarrollos recientes en IBM y Nanosolar intentan reducir el costo mediante el uso de procesos de solución sin vacío.

Película fina de silicio

Las celdas de película delgada de silicio se depositan principalmente por deposición de vapor químico (típicamente PE-CVD mejorado con plasma) a partir de gas silano e hidrógeno . Dependiendo de los parámetros de deposición, esto 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.

El silicio amorfo es la tecnología de película fina más 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 de mayor densidad de potencia del espectro. La producción de células solares de película delgada de a-Si utiliza vidrio como sustrato y deposita una capa muy delgada de silicio por deposición química de vapor mejorada con plasma (PECVD).

El silicio Protocristalino con una fracción de volumen bajo de silicio nanocristalino es óptimo para voltaje de circuito abierto alto. Nc-Si tiene aproximadamente la misma banda prohibida que c-Si y nc-Si y 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.

Película delgada de arseniuro de galio

El material semiconductor arseniuro de galio (GaAs) también se utiliza para células solares de película fina monocristalina. Aunque las células de GaAs son muy caras, tienen el récord mundial de eficiencia para una célula solar de unión única con un 28,8%. El GaAs se usa más comúnmente en células fotovoltaicas de múltiples funciones 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, hay varias razones por las que GaAs tiene una eficiencia de conversión de energía tan alta. En primer lugar, la banda prohibida de GaAs es de 1,43 ev, que es casi ideal para las 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. Usando GaAs como capa activa en la celda solar, los ingenieros pueden tener múltiples opciones de otras capas que pueden generar mejor electrones y huecos en GaAs.

Células multifunción

El panel solar de arseniuro de galio de unión triple de 10  kW de Dawn en extensión completa

Las células de unión múltiple constan de varias películas delgadas, cada una de las cuales es esencialmente una célula solar que crece una encima de la otra, por lo general utilizando epitaxia en fase vapor metalorgánica . Cada capa tiene una energía de banda prohibida diferente para permitirle absorber la radiación electromagnética en una porción diferente del espectro. Las células de unión múltiple se desarrollaron originalmente para aplicaciones especiales como satélites y exploración espacial , pero ahora se utilizan cada vez más en la energía fotovoltaica de concentrador terrestre (CPV), una tecnología emergente que utiliza lentes y espejos curvos para concentrar la luz solar en una unión múltiple pequeña y altamente eficiente. 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.

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. Entre diciembre de 2006 y diciembre de 2007, el costo del metal galio 4N aumentó de aproximadamente $ 350 por kg a $ 680 por kg. Además, los precios del metal germanio han aumentado sustancialmente a $ 1000-1200 por kg este año. Esos materiales incluyen crisoles de galio (4N, 6N y 7N Ga), arsénico (4N, 6N y 7N) y germanio, nitruro de boro pirolítico (pBN) para cristales en crecimiento y óxido de boro; estos productos son fundamentales para toda la industria de fabricación de sustratos.

Una celda de triple unión, por ejemplo, puede constar de los semiconductores: GaAs , Ge y GaInP
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. Las células solares GaAs de triple unión se utilizaron como fuente de energía de los cuatro veces ganadores del World Solar Challenge holandés Nuna en 2003, 2005 y 2007 y de los coches solares holandeses Solutra (2005) , Twente One (2007) y 21Revolution (2009). . Los dispositivos de unión múltiple 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%.

Células solares de doble unión GaInP / Si

En 2016, se describió un nuevo enfoque para producir obleas fotovoltaicas híbridas que combinaban la alta eficiencia de las células solares de múltiples uniones III-V con las economías y la gran experiencia asociadas con el silicio. Las complicaciones técnicas involucradas en el cultivo del material III-V en silicio a las altas temperaturas requeridas, un tema de estudio durante unos 30 años, se evitan mediante el crecimiento epitaxial de silicio en GaAs a baja temperatura mediante deposición química en fase de vapor mejorada con plasma (PECVD). .

Las células solares de unión única de Si se han estudiado ampliamente durante décadas y están alcanzando su eficiencia práctica de ~ 26% en condiciones de 1 sol. Para aumentar esta eficiencia, es posible que sea 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 celda solar de unión dual con una banda prohibida de 1.6–1.8 eV como celda superior puede reducir la pérdida de termalización, producir una alta eficiencia radiativa externa y lograr eficiencias teóricas superiores al 45%. Se puede fabricar una celda en tándem cultivando las celdas 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 demostraron 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%. Esta eficiencia excede el límite teórico del 29,4% y el valor récord de eficiencia experimental de una celda solar de Si 1-sol, y también es más alta que el dispositivo de GaAs de 1-sol de eficiencia récord. Sin embargo, usar un sustrato de GaAs es caro y no práctico. Por lo tanto, los investigadores intentan hacer una celda con dos puntos de contacto eléctricos y una unión, que no necesita un sustrato de GaAs. Esto significa que habrá una integración directa de GaInP y Si.

Investigación en células solares

Células solares de perovskita

Las células solares de perovskita son células solares que incluyen un material estructurado con perovskita como capa activa. Más comúnmente, este es un material híbrido orgánico-inorgánico 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. También se prevé que las células solares de perovskita sean extremadamente baratas de escalar, lo que las convierte en una opción muy atractiva para la comercialización. Hasta ahora, la mayoría de los tipos de células solares de perovskita no han alcanzado la estabilidad operativa suficiente para comercializarse, aunque muchos grupos de investigación están investigando formas de solucionar este problema. Se ha demostrado que la sostenibilidad energética y medioambiental de las células solares de perovskita y la perovskita en tándem dependen de las estructuras. La inclusión del elemento tóxico plomo en las células solares de perovskita más eficientes es un problema potencial para la comercialización.

Células solares bifaciales

Planta de células solares bifaciales en Noto (Senegal), 1988 - Suelo pintado en blanco para realzar el albedo.

Con una parte trasera transparente, las células solares bifaciales pueden absorber la luz tanto de la parte delantera como de la trasera. Por lo 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. Más tarde, se dice que Rusia fue la primera en desplegar células solares bifaciales en su programa espacial en la década de 1970. 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 . Sobre la base de las patentes estadounidenses y españolas de 1977 de Luque, se propuso una celda bifacial práctica con una cara frontal como ánodo y una cara trasera como cátodo; en propuestas e intentos informados anteriormente, ambas caras eran anódicas y la interconexión entre celdas era complicada y costosa. En 1980, Andrés Cuevas, un estudiante de doctorado del equipo de Luque, demostró experimentalmente un aumento del 50% en la potencia de salida de las células solares bifaciales, en relación con las monofaciales orientadas e inclinadas de manera idéntica, cuando se proporcionó un fondo blanco. En 1981 se funda en Málaga la empresa Isofoton 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 Isofoton fueron la central eléctrica de 20kWp en San Agustín de Guadalix , construida en 1986 para Iberdrola , y una instalación fuera de la red en 1988 también de 20kWp en la aldea de Noto Gouye Diama ( Senegal ) financiada por la 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. Para 2017, había al menos ocho fabricantes fotovoltaicos certificados que proporcionaban módulos bifaciales en América del Norte. La Hoja de Ruta Internacional de Tecnología para la Energía Fotovoltaica (ITRPV) predijo que la participación de mercado global de la tecnología bifacial se expandirá de menos del 5% en 2016 al 30% en 2027.

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. 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 anual de electricidad en comparación con los monofaciales para un coeficiente de albedo del suelo del 25% (típico de las cubiertas vegetales y de hormigón). 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%. Sun y col. También derivó un conjunto de ecuaciones empíricas que pueden optimizar analíticamente los módulos solares bifaciales. Además, existe evidencia de que los paneles bifaciales funcionan mejor que los paneles tradicionales en entornos nevados, ya que los bifaciales en los seguidores de doble eje generaron un 14% más de electricidad en un año que sus contrapartes monofaciales y un 40% durante los meses pico de invierno.

Se encuentra disponible una herramienta de simulación en línea para modelar el rendimiento de los módulos bifaciales en cualquier ubicación arbitraria en todo el mundo. También puede optimizar los módulos bifaciales en función del ángulo de inclinación, el ángulo azimutal y la elevación sobre el suelo.

Banda intermedia

La energía fotovoltaica de banda intermedia en la investigación de células solares proporciona métodos para superar el límite de Shockley-Queisser en 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 lo tanto, la eficiencia.

Luque y Marti primero derivaron un límite teórico para un dispositivo IB con un nivel de energía de medio espacio utilizando un balance detallado . Supusieron que no se recolectaron portadores en el IB y que el dispositivo estaba bajo concentración total. Encontraron que la eficiencia máxima era del 63,2%, para un intervalo de banda de 1,95 eV con el IB 0,71 eV de la banda de valencia o de conducción. Bajo una iluminación solar, la eficiencia límite es del 47%.

Tintas liquidas

En 2014, investigadores del California NanoSystems Institute descubrieron que el uso de kesterita y perovskita mejoró la eficiencia de conversión de energía eléctrica de las células solares.

Conversión ascendente y conversión descendente

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 usen 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 una banda estrecha.

Una técnica de conversión ascendente es 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 ocurre cuando dos fotones infrarrojos son absorbidos por iones de tierras raras para generar un fotón absorbible (de alta energía). Como ejemplo, el proceso de conversión ascendente de transferencia de energía (ETU), consiste en procesos de transferencia sucesivos entre iones excitados en el infrarrojo cercano. El material convertidor ascendente podría colocarse debajo de la celda solar para absorber la luz infrarroja que pasa a través del silicio. Los iones útiles se encuentran más comúnmente en el estado trivalente. Er+
Los iones han sido los más utilizados. Er3+
Los iones absorben la radiación solar alrededor de 1,54 µm. Dos er3+
Los iones que han absorbido esta radiación pueden interactuar entre sí a través de un proceso de conversión ascendente. El ion excitado emite luz por encima de la banda prohibida de Si que es absorbida por la célula solar y crea un par adicional de electrones y huecos que puede generar corriente. Sin embargo, la mayor eficiencia fue pequeña. Además, los vidrios fluoroindate tienen baja fonón energía y se han propuesto como dopado matriz adecuada con Ho3+
iones.

Tintes absorbentes de luz

Células solares sensibilizadas por colorante (DSSCs) están hechos de materiales de bajo coste y no es necesario elaborar el equipo de fabricación, por lo que se pueden hacer en un DIY moda. A granel, debería ser significativamente menos costoso que los diseños de celdas de estado sólido más antiguos. Los 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 tinte de rutenio metalorgánico (centrado en Ru) como una 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 dióxido de titanio nanoparticulado (TiO 2 ) para amplificar en gran medida el área de superficie (200-300 m 2 / g TiO
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, en comparación con aproximadamente 10 m 2 / g de monocristal plano) lo que permite un mayor número de colorantes por área de celda solar (lo que en términos de aumento de la corriente). Los electrones fotogenerados del tinte absorbente de luz se pasan al TiO de tipo n
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y 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 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 disolventes utilizados en el ensamblaje. Por esta razón, los investigadores han desarrollado células solares de estado sólido sensibilizadas con colorante que utilizan un electrolito sólido para evitar fugas. El primer envío comercial de módulos solares DSSC se produjo en julio de 2009 de G24i Innovations.

Puntos cuánticos

Las células solares de puntos cuánticos (QDSC) se basan en la célula de Gratzel, o la 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).
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S
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, PbS , etc.), en lugar de colorantes orgánicos u organometálicos como absorbentes de luz. Debido a la toxicidad asociada con los compuestos basados ​​en Cd y Pb, también se están desarrollando una serie de materiales sensibilizantes QD "verdes" (como CuInS 2, CuInSe 2 y CuInSeS). La cuantificación del tamaño de QD permite ajustar la banda prohibida simplemente cambiando el tamaño de las partículas. También tienen altos coeficientes de extinción y han mostrado la posibilidad de generación de excitones múltiples .

En una QDSC, una capa mesoporosa de nanopartículas de dióxido de titanio forma la columna vertebral de la célula, al igual que en una DSSC. Este TiO
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A continuación, la capa se puede hacer fotoactiva revistiéndola con puntos cuánticos semiconductores usando deposición en baño químico , deposición electroforética o adsorción y reacción sucesivas de capa iónica. Luego, el circuito eléctrico se completa mediante el uso de un par redox líquido o sólido . La eficiencia de las QDSC ha aumentado a más del 5% que se muestra para las células de unión líquida y de estado sólido, con una eficiencia máxima informada del 11,91%. En un esfuerzo por disminuir los costos de producción, el grupo de investigación de Prashant Kamat demostró una pintura solar hecha con TiO
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y CdSe que se puede aplicar mediante un método de un solo paso a cualquier superficie conductora con eficiencias superiores al 1%. Sin embargo, la absorción de puntos cuánticos (QD) en QDSC es débil a temperatura ambiente. Las nanopartículas plasmónicas se pueden utilizar para abordar la absorción débil de QD (p. Ej., Nanoestrellas). Agregar una fuente de bombeo de infrarrojos externa para excitar la transición intrabanda e interbanda de QD es otra solución.

Células solares orgánicas / poliméricas

Las células solares orgánicas y las células solares de polímero se construyen a partir de películas delgadas (típicamente 100 nm) de semiconductores orgánicos que incluyen polímeros, como polifenileno vinileno y compuestos de moléculas pequeñas como ftalocianina de cobre (un pigmento orgánico azul o verde) y fullerenos de carbono y derivados de fullereno como como PCBM .

Pueden procesarse a partir de una solución líquida, lo que ofrece la posibilidad de un proceso simple de impresión de rollo a rollo, lo que puede conducir a una producción económica a gran escala. Además, estas celdas podrían ser beneficiosas para algunas aplicaciones en las que la flexibilidad mecánica y la capacidad de desecho son importantes. Sin embargo, las eficiencias actuales de las células son muy bajas y los dispositivos prácticos son esencialmente 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% y las células tándem orgánicas en 2012 alcanzaron el 11,1%.

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, típicamente en el material donante, las cargas tienden a permanecer unidas en forma de excitón , separándose cuando el excitón se difunde a la interfaz donante-aceptor, a diferencia de la mayoría de los otros tipos de células solares. Las longitudes cortas de difusión del excitón de la mayoría de los sistemas poliméricos tienden a limitar la eficacia de tales dispositivos. Las interfaces nanoestructuradas, a veces en forma de heterouniones masivas, pueden mejorar el rendimiento.

En 2011, investigadores del MIT y del estado de Michigan desarrollaron células solares con una eficiencia energética cercana al 2% con una transparencia para el ojo humano superior al 65%, lograda mediante la absorción selectiva de las partes ultravioleta e infrarroja cercana del espectro con compuestos de moléculas pequeñas. . Investigadores de UCLA desarrollaron más recientemente una celda solar de polímero análoga, siguiendo el mismo enfoque, que es 70% transparente y tiene una eficiencia de conversión de energía del 4%. Estas celdas ligeras y flexibles se pueden producir a granel a bajo costo y podrían usarse para crear ventanas de generación de energía.

En 2013, los investigadores anunciaron células poliméricas con una eficiencia del 3%. Utilizaron copolímeros de bloque , materiales orgánicos autoensamblados 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.

Células adaptativas

Las células adaptativas cambian sus características de absorción / reflexión según las condiciones ambientales. Un material adaptativo responde a la intensidad y al ángulo de la luz incidente. En la parte de la celda donde la luz es más intensa, la superficie de la celda cambia de reflectante a adaptativa, lo que permite que la luz penetre en la celda. Las otras partes de la celda permanecen reflectantes aumentando la retención de la luz absorbida dentro de la celda.

En 2014, se desarrolló un sistema que combinaba una superficie adaptativa con un sustrato de vidrio que redirigía lo absorbido a un absorbente de luz en los bordes de la hoja. 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 celda. Esa superficie cambia de reflectante a adaptativa cuando la luz está más concentrada y vuelve a reflectante después de que la luz se mueve.

Texturizado superficial

Los aviones Solar Impulse son monoplanos de un solo asiento de diseño suizo que funcionan completamente con células fotovoltaicas

Durante los últimos años, los investigadores han intentado reducir el precio de las células solares al tiempo que maximizan la eficiencia. La célula solar de película fina es una célula solar rentable de segunda generación con un grosor muy reducido a expensas de la eficiencia de absorción de la luz. Se han realizado esfuerzos para maximizar la eficiencia de absorción de la luz con un espesor reducido. La textura de la superficie es una de las técnicas que se utilizan para reducir las pérdidas ópticas y maximizar la luz absorbida. Actualmente, las técnicas de texturizado de superficies en energía fotovoltaica de silicio están atrayendo mucha atención. El texturizado de la superficie se puede realizar de múltiples formas. El grabado de un sustrato de silicio monocristalino puede producir pirámides cuadradas distribuidas aleatoriamente en la superficie utilizando grabadores anisotrópicos. 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 las menores dificultades de fabricación. Se informa que las células solares multicristalinas se pueden texturizar en la superficie para producir una eficiencia de conversión de energía solar comparable a la de las células de silicio monocristalino, mediante técnicas de grabado isotrópico o fotolitografía. 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 en la otra superficie debido a la geometría de la superficie. Este proceso mejora significativamente la eficiencia de conversión de luz a 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 desafiante de simulación óptica. Un método particularmente eficaz para modelar y optimizar es el formalismo OPTOS . En 2012, los investigadores del MIT informaron que las películas de c-Si texturizadas con pirámides invertidas a nanoescala podrían lograr una absorción de luz comparable a un c-Si plano 30 veces más grueso. En combinación con el revestimiento antirreflectante , la técnica de texturización de la superficie puede atrapar eficazmente los rayos de luz dentro de una célula solar de silicio de película delgada. En consecuencia, el grosor requerido para las células solares disminuye con el aumento de la absorción de los rayos de luz.

Encapsulamiento

Las células solares se encapsulan comúnmente en una resina polimérica transparente para proteger las delicadas regiones de las células solares y evitar que entren en contacto con la humedad, la suciedad, el hielo y otras condiciones esperadas durante el funcionamiento o cuando se utilizan al aire libre. 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 recolección de luz debido a que la luz atrapa la reflexión interna total de la luz dentro de la resina. Se han realizado investigaciones para estructurar el encapsulante para proporcionar una mayor recolección de luz. Dichos encapsulantes han incluido superficies de vidrio rugosas, elementos difractivos, conjuntos de prismas, prismas de aire, ranuras en V, elementos difusos, así como conjuntos de guías de ondas multidireccionales. Los arreglos de prismas muestran un aumento general del 5% en la conversión total de energía solar. Las matrices de guías de onda de banda ancha alineadas verticalmente proporcionan un aumento del 10% en una incidencia normal, así como una mejora de la colección de gran angular de hasta un 4%, con estructuras optimizadas que producen un aumento de hasta un 20% en la corriente de cortocircuito. Los recubrimientos activos que convierten la luz infrarroja en luz visible han mostrado un aumento del 30%. Los recubrimientos de nanopartículas que inducen la dispersión de la luz plasmónica aumentan la eficiencia de conversión de gran angular hasta en un 3%. También se han creado estructuras ópticas en materiales de encapsulación para "cubrir" eficazmente los contactos frontales metálicos.

Fabricar

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 costos.

Las obleas de silicio policristalino se fabrican mediante el corte de lingotes de silicio fundido en bloque en forma de obleas de 180 a 350 micrómetros. Las obleas suelen estar ligeramente dopadas de tipo p. Se realiza una difusión superficial de dopantes de tipo n en el lado frontal de la oblea. Esto forma una unión p – n unos cientos de nanómetros por debajo de la superficie.

A continuación, se aplican típicamente revestimientos antirreflejos 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. Evita la recombinación de portadores en la superficie celular. Se aplica una capa de varios cientos de nanómetros de espesor mediante deposición de vapor químico mejorada con plasma . Algunas células solares tienen superficies frontales texturizadas que, como los recubrimientos antirreflejos, aumentan la cantidad de luz que llega a la oblea. Estas superficies se aplicaron primero al silicio monocristalino, seguido por el silicio multicristalino un poco más tarde.

Se hace un contacto de metal de área completa en la superficie posterior, y un contacto de metal en forma de rejilla formado por "dedos" finos y "barras colectoras" más grandes se imprime en la superficie frontal utilizando una pasta de plata . Esta es una evolución del llamado proceso "húmedo" para aplicar electrodos, descrito por primera vez en una patente estadounidense presentada en 1981 por Bayer AG . El contacto trasero se forma mediante la serigrafía de una pasta de metal, típicamente 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 hoja de vidrio templado en la parte delantera y una encapsulación de polímero en la parte posterior.

Fabricantes y certificación

Producción de células solares por región

El Laboratorio Nacional de Energías Renovables prueba y valida tecnologías solares. Tres grupos confiables certifican equipos solares: UL e IEEE (ambos estándares de EE. UU.) E IEC .

Las células solares se fabrican en volumen en Japón, Alemania, China, Taiwán, Malasia y Estados Unidos, mientras que Europa, China, Estados Unidos y Japón han dominado (94% o más a partir de 2013) en sistemas instalados. Otras naciones están adquiriendo una importante capacidad de producción de células solares.

Mundial de producción de células PV / módulo aumentó en un 10% en 2012 a pesar de una disminución del 9% en las inversiones en energía solar de acuerdo con el "Informe de situación PV" anual publicado por la Comisión Europea Centro Común de Investigación 's. Entre 2009 y 2013, la producción de células se ha cuadriplicado.

porcelana

Desde 2013, China ha sido el principal instalador mundial de energía solar fotovoltaica (PV). En septiembre de 2018, el sesenta por ciento de los módulos solares fotovoltaicos del mundo se fabricaron en China. En mayo de 2018, la planta fotovoltaica más grande del mundo se encuentra en el desierto de Tengger en China. En 2018, China agregó más capacidad instalada fotovoltaica (en GW) que los siguientes 9 países juntos.

Malasia

En 2014, Malasia fue el tercer mayor fabricante mundial de equipos fotovoltaicos , detrás de China y la Unión Europea .

Estados Unidos

La producción de energía solar en los EE. UU. Se ha duplicado en los últimos 6 años. Esto fue impulsado primero por la caída del precio del silicio de calidad y luego simplemente por la caída global del costo de los módulos fotovoltaicos. En 2018, EE. UU. Agregó 10,8 GW de energía solar fotovoltaica instalada, un aumento del 21%.

Disposición

Las células solares se degradan con el tiempo y pierden su eficiencia. Las células solares en climas extremos, como desérticos o polares, son más propensas a degradarse debido a la exposición a fuertes rayos ultravioleta y cargas de nieve, respectivamente. Por lo general, los paneles solares tienen una vida útil de 25 a 30 años antes de que se desmantelen.

La Agencia Internacional de Energía Renovable estimó que la cantidad de desechos de paneles solares generados en 2016 fue de 43,500 a 250,000 toneladas métricas. Se estima que este número aumentará sustancialmente para 2030, alcanzando un volumen de desechos estimado de 60 a 78 millones de toneladas métricas en 2050.

Reciclaje

Los paneles solares se reciclan mediante diferentes métodos. El proceso de reciclaje incluye un proceso de tres pasos, reciclaje de módulos, reciclaje de células y manejo de desechos, para descomponer los módulos de Si y recuperar varios materiales. Los metales recuperados y el Si son reutilizables para la industria solar y generan $ 11-12,10 por módulo en ingresos a los precios actuales de Ag y Si de grado solar.

Algunos módulos solares (por ejemplo: el módulo solar First Solar CdTe) contienen materiales tóxicos como plomo y cadmio que, al romperse, podrían filtrarse al suelo y contaminar el medio ambiente. La primera planta de reciclaje de paneles solares se inauguró en Rousset, Francia, en 2018. Estaba preparada para reciclar 1300 toneladas de residuos de paneles solares al año y puede aumentar su capacidad a 4000 toneladas.

En 2020, se publicó la primera evaluación global sobre enfoques prometedores de reciclaje de módulos solares fotovoltaicos. Los científicos recomendaron "la investigación y el desarrollo para reducir los costos de reciclaje y los impactos ambientales en comparación con la eliminación mientras se maximiza la recuperación de material", así como la facilitación y el uso de análisis tecnoeconómicos. Además, encontraron que la recuperación de silicio de alto valor era más ventajosa que la recuperación de obleas de silicio intactas, y la primera aún requería el diseño de procesos de purificación para el silicio recuperado.

Ver también

Aerogenerador-icon.svg Portal de energías renovables

Referencias

Bibliografía

enlaces externos