Nuevo récord de células solares

Publicado el: 10 de agosto de 2020 / Actualizado el: 17 de agosto de 2020 – Autor: Konrad Wolfenstein

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Mayor eficiencia en tándem: nuevo récord en células solares

La investigación fotovoltaica trabaja incansablemente para aumentar continuamente la eficiencia de las células solares. La fotovoltaica en tándem cobra cada vez mayor relevancia, ya que se combinan materiales de alto rendimiento para células solares de diversas maneras para aprovechar el espectro solar de forma aún más eficiente en la conversión de luz en energía eléctrica. Fraunhofer ISE ha registrado un nuevo récord de eficiencia del 25,9 % para una célula solar en tándem III-V/Si fabricada directamente sobre silicio. Esta fue la primera célula producida sobre un sustrato de silicio rentable, un hito importante en el camino hacia soluciones económicamente viables para la fotovoltaica en tándem.

Varias células solares en tándem III-V sobre un sustrato de silicio con un diámetro de 10 cm – © Fraunhofer ISE – Foto: Markus Feifel

El Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (ISE) lleva muchos años trabajando en células solares multiunión, en las que dos o tres subcélulas se apilan una sobre otra para convertir diferentes longitudes de onda de la luz solar en electricidad. El silicio es adecuado como absorbente para la porción infrarroja del espectro, y sobre él se aplican finas capas de semiconductores III-V, de apenas unos micrómetros de espesor. Estos materiales pertenecen a los grupos III y V de la tabla periódica y convierten la luz ultravioleta, visible e infrarroja cercana en electricidad de forma más eficiente. Las células solares de semiconductores III-V puros ya se utilizan en el espacio y en la energía fotovoltaica de concentración. Se pretende que procesos más rentables, combinados con el silicio como subcélula inferior, hagan que esta tecnología en tándem sea accesible para la energía fotovoltaica generalizada en el futuro. Sin embargo, aún queda mucho camino por recorrer.

25,9 por ciento para células solares tándem III-V/Si cultivadas directamente en silicio

Existen diferentes enfoques para la fabricación de combinaciones de células solares de silicio y de III-V. Desde 2019, el Fraunhofer ISE ostenta el récord mundial de eficiencia del 34,1 % (actualmente el 34,5 %) para una célula solar en tándem en la que las capas semiconductoras de III-V se transfieren desde un sustrato de arseniuro de galio al silicio, uniéndose mediante una oblea. Esta tecnología es eficiente, pero costosa. Por ello, el Fraunhofer ISE lleva años trabajando en procesos de fabricación más directos en los que las capas de III-V se depositan o se unen epitaxialmente a una célula solar de silicio. Mantener una alta calidad de los cristales en todas las capas es crucial en este contexto, lo que supone un gran reto. Se ha alcanzado un nuevo récord mundial de eficiencia del 25,9 % para una célula solar en tándem de III-V/Si de este tipo, desarrollada directamente sobre silicio. El científico del Fraunhofer ISE, Markus Feifel, presentó recientemente su éxito en la 47.ª Conferencia de Especialistas en Fotovoltaica del IEEE, que, como muchas otras conferencias actuales, se celebra en línea, y fue galardonado con el Premio Estudiantil en la categoría de Células Solares Híbridas en Tándem. "La compleja estructura interna de la célula no es visible desde el exterior, ya que todos los absorbedores están interconectados y cableados eléctricamente mediante capas de cristal adicionales", explica el joven investigador de células solares, quien logró así mejorar la eficiencia de su trabajo del 24,3 % al 25,9 % en menos de un año. "Este éxito se logró reemplazando una sola capa delgada dentro de la multicelda", continúa. "Un análisis minucioso de nuestras células reveló que esta capa actuaba como una barrera para la conducción eléctrica".

Desde 2007, investigadores del Fraunhofer, en colaboración con la Universidad Técnica de Ilmenau, la Universidad Philipps de Marburgo y la empresa Aixtron, han ido desarrollando gradualmente la tecnología, construyendo sistemas de epitaxia especializados y examinando cada capa de la estructura. Estos desarrollos fueron financiados por el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania (BMBF) en el marco de los proyectos "III-V-Si" y "MehrSi". Una característica destacada de la nueva célula solar en tándem es que las capas III-V no se desarrollaron sobre un sustrato pulido química y mecánicamente, como era habitual hasta ahora, sino sobre una oblea de silicio. Tras serrar el cristal, la oblea se trató mediante un proceso sencillo y económico de pulido y grabado. La empresa danesa Topsil desarrolló estas obleas de silicio en el marco del proyecto europeo "SiTaSol", dando así un paso importante hacia la producción económica de las nuevas células solares multiunión. En el futuro, el enfoque se centrará en aumentar aún más la eficiencia y hacer que la deposición de las capas sea aún más rápida, con un mayor rendimiento y, por lo tanto, más rentable, con el objetivo de que la energía fotovoltaica en tándem pueda hacer una contribución importante a la expansión fotovoltaica necesaria para la transición energética.

Tecnología clave para la transición energética

La electricidad generada a partir de células solares es actualmente la forma más rentable de generar energía en muchas partes del mundo. «La investigación fotovoltaica europea trabaja en numerosos conceptos para mejorar aún más la eficiencia de esta tecnología clave para la transición energética», afirma el Prof. Dr. Stefan Glunz, Director de Investigación Fotovoltaica. «No solo trabajamos para que la producción de células solares de silicio sea aún más sostenible y rentable, sino que también exploramos nuevas vías para lograr eficiencias aún mayores con silicio de eficacia probada en combinación con otros materiales semiconductores. Lo estamos logrando con la fotovoltaica en tándem». La fotovoltaica en tándem no solo sienta las bases para el futuro de la generación de electricidad, sino que estas células solares también son ideales, gracias a su mayor voltaje, para la electrólisis, la descomposición directa del agua en hidrógeno y oxígeno. Por lo tanto, esta tecnología también contribuye a la producción de hidrógeno como medio de almacenamiento de energía y un componente fundamental para la transición energética.

Estructura de capas de la célula solar multiunión III-V/Si – © Fraunhofer ISE

Estructura de capas de la célula solar multiunión III-V/Si, eficiencia cuántica y característica IV en condiciones espectrales AM 1,5 g

Mayor eficiencia en tándem: nuevo récord en células solares

La investigación en fotovoltaica se esfuerza por aumentar continuamente la eficiencia de las células solares. Cada vez se presta más atención a la fotovoltaica en tándem, en la que se combinan materiales de alto rendimiento para células solares para aprovechar el espectro solar de forma aún más eficiente al convertir la luz en energía eléctrica. Fraunhofer ISE anuncia un nuevo récord de eficiencia del 25,9 % para una célula solar en tándem III-V/Si fabricada directamente sobre silicio. Por primera vez, esta se produjo sobre un sustrato de silicio de bajo coste, un hito importante en el camino hacia soluciones económicas para la fotovoltaica en tándem.

Varias células solares en tándem III-V sobre un sustrato de silicio de 10 cm de diámetro – © Fraunhofer ISE – Foto: Markus Feifel

El Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (ISE) lleva muchos años trabajando en células solares multiunión, en las que dos o tres células parciales se disponen una sobre otra para convertir diferentes longitudes de onda de la luz solar en electricidad. El silicio es adecuado como absorbente para la parte infrarroja del espectro, y sobre él se depositan capas de semiconductores III-V, materiales de los grupos III y V de la tabla periódica, que convierten la luz ultravioleta, visible e infrarroja cercana en electricidad de forma más eficiente. Las células solares semiconductoras III-V puras ya se utilizan en el espacio y en la energía fotovoltaica de concentración. Mediante procesos más rentables en combinación con el silicio como subcélula inferior, la tecnología tándem se hará accesible para la energía fotovoltaica de base amplia en el futuro. Sin embargo, aún queda un largo camino por recorrer hasta entonces.

25,9 por ciento para células solares tándem III-V/Si cultivadas directamente sobre silicio

Existen diferentes enfoques para producir combinaciones de células solares de silicio y de arseniuro de galio (III-V). Por ejemplo, desde 2019, Fraunhofer ISE ostenta el récord mundial de eficiencia del 34,1 % (actualmente del 34,5 %) para una célula solar en tándem en la que las capas semiconductoras de arseniuro de galio se transfieren de un sustrato de arseniuro de galio a silicio, conectándose las capas mediante un enlace de oblea. Esta tecnología es eficiente, pero costosa. Por ello, Fraunhofer ISE lleva años trabajando en procesos de fabricación más directos en los que las capas de silicio se depositan o epitaxian sobre una célula solar de silicio. En este caso, es crucial mantener una alta calidad cristalina en todas las capas, lo que supone un gran reto. Se ha alcanzado un nuevo récord mundial de eficiencia del 25,9 % para una célula solar en tándem de silicio y de arseniuro de galio (III-V/Si) de este tipo, desarrollada directamente sobre silicio. El científico del Fraunhofer ISE, Markus Feifel, presentó recientemente su éxito en la 47.ª Conferencia de Especialistas en Fotovoltaica del IEEE, que, como muchas otras conferencias actuales, se celebra en línea, y fue galardonado con el Premio Estudiantil en la categoría de Células Solares Híbridas en Tándem. «Desde el exterior, la compleja estructura interna de la célula no es visible, ya que todos los absorbedores están conectados entre sí mediante capas de cristal adicionales y cableados eléctricamente», explica el joven investigador de células solares, quien logró así mejorar el resultado de su trabajo del 24,3 al 25,9 % en menos de un año. «Este éxito se logró sustituyendo una única capa delgada dentro de la célula múltiple», continúa. «Un análisis minucioso de nuestras células reveló que esta capa creaba una barrera para la línea eléctrica».

Los investigadores del Fraunhofer han ido desarrollando la tecnología poco a poco desde 2007, en colaboración con la Universidad Técnica de Ilmenau, la Universidad Philipps de Marburgo y la empresa Aixtron. Instalaron equipos especiales de epitaxia y examinaron cada capa de la estructura. Estos desarrollos fueron financiados por el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania (BMBF) en el marco de los proyectos «III-V-Si» y «MehrSi». Una característica destacada de la nueva célula solar en tándem es que las capas III-V no se desarrollaron sobre un sustrato pulido químicamente y mecánicamente, como antes, sino sobre una oblea de silicio que, tras serrar el cristal, se trató mediante un proceso sencillo, utilizando únicamente procesos económicos de pulido y grabado. En el marco del proyecto europeo «SiTaSol», la empresa danesa Topsil desarrolló estas obleas de silicio, dando así un paso importante hacia la producción económica de las nuevas células solares multiunión. En el futuro, el objetivo será aumentar aún más la eficiencia y también realizar la deposición de las capas aún más rápido, con un mayor rendimiento y, por lo tanto, de manera más rentable, con el objetivo de que la fotovoltaica en tándem pueda hacer una contribución importante a la expansión fotovoltaica necesaria para el cambio energético.

Tecnología clave para la transformación del sistema energético

En muchas partes del mundo, la electricidad generada a partir de células solares es actualmente la forma más económica de generar energía. «La investigación fotovoltaica europea está trabajando en numerosos conceptos para seguir desarrollando la eficiencia de esta tecnología clave para la transformación energética», afirma el Prof. Dr. Stefan Glunz, jefe de la División de Investigación Fotovoltaica. «No solo trabajamos para que la producción de células solares de silicio sea aún más sostenible y rentable, sino que también estamos innovando para que el silicio, de eficacia probada, en combinación con otros materiales semiconductores alcance una eficiencia aún mayor. Lo estamos logrando con la fotovoltaica en tándem. La fotovoltaica en tándem no solo abre el camino hacia el futuro de la generación de energía, sino que estas células solares, gracias a su mayor voltaje, también son ideales para la electrólisis, la descomposición directa del agua en hidrógeno y oxígeno. Por lo tanto, esta tecnología también contribuye a la producción de hidrógeno como medio de almacenamiento de energía y un componente fundamental para la transformación energética.

Estructura de capas de la célula solar multiunión III-V/Si – © Fraunhofer ISE

Estructura de capas de una célula solar multiunión III-V/Si, eficiencia cuántica y características IV en condiciones espectrales AM 1,5 g