BSC – Células solares bifaciales: Historia de la célula solar bifacial o de dos superficies

Publicado el: 22 de enero de 2022 / Actualizado el: 24 de febrero de 2023 – Autor: Konrad Wolfenstein

Historia de la célula solar bifacial o de dos superficies – Imagen: Xpert.Digital / Sunward Art|Shutterstock.com

Una célula solar de silicio fue patentada por primera vez en 1946 por Russell Ohl mientras trabajaba en Bell Labs, y demostrada públicamente en 1954 por Fuller, Chapin y Pearson en la misma institución de investigación; sin embargo, estas primeras propuestas eran células monofaciales, cuya parte posterior no estaba destinada a ser activa.

La primera célula solar bifacial propuesta teóricamente se encuentra en una patente japonesa, fechada el 4 de octubre de 1960, de Hiroshi Mori, quien trabajó para Hayakawa Denki Kogyo Kabushiki Kaisha (Hayakawa Electric Industry Co. Ltd.), que posteriormente se convirtió en Sharp Corporation. La célula propuesta consistía en una estructura bifacial PNP con electrodos de contacto en dos bordes opuestos.

Las primeras demostraciones de células y paneles solares bifaciales, sin embargo, se llevaron a cabo como parte del programa espacial soviético en las estaciones espaciales militares LEO Salyut 3 (1974) y Salyut 5 (1976). Estas células solares bifaciales fueron desarrolladas y fabricadas por Bordina et al. en el VNIIT (Instituto de Investigación Científica de Fuentes de Energía de la Unión) en Moscú, que se convirtió en el fabricante ruso de células solares KVANT en 1975. En 1974, este equipo presentó una patente estadounidense proponiendo las células en forma de minipipedos paralelos con un tamaño máximo de 1 mm x 1 mm x 1 mm, conectados en serie para lograr una densidad de 100 células/cm². Al igual que con las BSC actuales, propusieron el uso de compuestos isotípicos pp+ cerca de una de las superficies receptoras de luz. En Salyut 3, pequeños paneles experimentales con una superficie celular total de 24 cm² mostraron un aumento de hasta un 34 % en la producción de energía por órbita satelital en comparación con los paneles monofaciales utilizados en aquel momento, debido al albedo terrestre. Durante el vuelo de la Salyut 5 a la estación espacial, se observó una ganancia de entre el 17 % y el 45 % mediante el uso de paneles bifaciales (0,48 m² – 40 W).

Paralelamente a esta investigación rusa, al otro lado del Telón de Acero, el laboratorio de semiconductores de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación de la Universidad Politécnica de Madrid, bajo la dirección del profesor Antonio Luque, llevaba a cabo de forma independiente un exhaustivo programa de investigación para desarrollar células solares bifaciales de aplicación industrial. Mientras que la patente de Mori y los prototipos de la nave espacial VNIIT-KVANT se basaban en diminutas células sin rejilla metálica en su superficie y, por lo tanto, estaban interconectadas de forma compleja, más al estilo de los dispositivos microelectrónicos que entonces se encontraban en sus inicios, Luque presentaría dos patentes españolas en 1976 y 1977 y una en Estados Unidos en 1977, precursoras de las células bifaciales modernas. Las patentes de Luque fueron las primeras en proponer BSC con una célula por oblea de silicio, como era el caso de las células monofaciales en aquel momento y sigue siendo hoy, con rejillas metálicas en ambas superficies. Consideraban tanto estructuras npp+ como pnp.

El desarrollo de las BSC en el laboratorio de semiconductores se abordó desde una triple perspectiva, lo que dio lugar a tres tesis doctorales de Andrés Cuevas (1980), Javier Eguren (1981) y Jesús Sangrador (1982). Las dos primeras fueron dirigidas por Luque, y la tercera por el Dr. Gabriel Sala, del mismo grupo. La tesis de Cuevas implicó la construcción de la primera patente de Luque, de 1976, que, debido a su estructura npn similar a la de un transistor, se denominó "transcell". La tesis de Eguren se centró en demostrar la segunda patente de Luque, de 1977, que presenta un perfil de dopaje npp+ donde la unión isotópica pp+ se encuentra adyacente a la superficie posterior de la celda, creando lo que comúnmente se conoce como "campo de superficie posterior" (BSF) en la tecnología de celdas solares. Este trabajo dio lugar a varias publicaciones y patentes adicionales. En particular, el efecto beneficioso de reducir el dopaje p en la base fue significativo, ya que la reducción de voltaje en la unión del emisor (unión pn frontal) se compensó con un aumento de voltaje en la unión isotípica trasera, permitiendo simultáneamente una mayor longitud de difusión de los portadores minoritarios, lo que incrementa la salida de corriente bajo iluminación bifacial. En la tesis doctoral de Sangrador y su tercer enfoque de desarrollo en la Universidad Politécnica de Madrid, se propuso la denominada célula solar multiunión vertical con iluminación de borde, en la que las células p+nn+ se apilan y conectan en serie, iluminadas desde sus bordes. Se trata de células de alto voltaje que no requieren una rejilla metálica superficial para la generación de corriente.

En 1979, el laboratorio de semiconductores se transformó en el Instituto de Energía Solar (IES-UPM), que, con Luque como su primer director, continuó la investigación intensiva sobre células solares bifaciales hasta la primera década del siglo XXI. Por ejemplo, en 1994, dos estudiantes de doctorado brasileños del Instituto de Energía Solar, Adriano Moehlecke e Izete Zanesco, junto con Luque, desarrollaron y produjeron una célula solar bifacial que alcanzó una eficiencia del 18,1 % en la parte frontal y del 19,1 % en la posterior; un récord bifacial del 103 % (en aquel momento, la eficiencia récord para células monofaciales era de poco menos del 22 %).

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Fuente *21012022-1