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- Arriba: Instalación de láminas de silicona de película delgada en un tejado.
- Centro: Célula solar CIGS sobre un soporte de plástico flexible y paneles rígidos de CdTe montados sobre una estructura de soporte.
- Abajo: láminas de película delgada en azoteas
Las células solares de película delgada son un tipo de célula solar que se fabrica depositando capas delgadas de material fotovoltaico sobre un sustrato de vidrio, plástico o metal. Suelen ser mucho más delgadas que las obleas utilizadas en las células solares convencionales basadas en silicio cristalino . Comercialmente, las células solares de película delgada se fabrican con diversos materiales, como el telururo de cadmio (CdTe), el diselenuro de cobre, indio y galio (CIGS) y el silicio amorfo de película delgada (a-Si, TF-Si).
Las células solares suelen clasificarse por generaciones según el tipo de capas absorbentes de luz que se utilizan para fabricarlas. Las células solares más consolidadas o de primera generación están hechas de silicio monocristalino o multicristalino . Esta es la tecnología dominante que se utiliza actualmente en la mayoría de los sistemas fotovoltaicos . La mayoría de las células solares de película delgada se clasifican como de segunda generación , y se fabrican con capas delgadas de materiales como silicio amorfo (a-Si), telururo de cadmio (CdTe), seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) o arseniuro de galio (GaAs). Las células solares fabricadas con materiales más nuevos y menos consolidados se clasifican como de tercera generación o emergentes. Esto incluye algunas tecnologías innovadoras de película delgada, como las células solares de perovskita , sensibilizadas por colorantes , de puntos cuánticos , orgánicas y de CZTS .
Las células de película delgada tienen varias ventajas sobre las células solares de silicio de primera generación, incluyendo ser más ligeras y flexibles debido a su construcción delgada. Esto las hace adecuadas para su uso en sistemas fotovoltaicos integrados en edificios y como material de acristalamiento fotovoltaico semitransparente que se puede laminar en ventanas. Otras aplicaciones comerciales utilizan paneles solares rígidos de película delgada (intercalados entre dos paneles de vidrio) en algunas de las centrales fotovoltaicas más grandes del mundo . Además, los materiales utilizados en las células solares de película delgada generalmente se producen mediante métodos simples y escalables más rentables que las células de primera generación, lo que conlleva menores impactos ambientales como las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) en muchos casos. Las células de película delgada también suelen superar a las fuentes renovables y no renovables para la generación de electricidad en términos de toxicidad humana y emisiones de metales pesados .
A pesar de los desafíos iniciales con la conversión eficiente de la luz, especialmente entre los materiales fotovoltaicos de tercera generación, en 2023 algunas células solares de película delgada alcanzaron eficiencias de hasta el 29,1 % para células de GaAs de película delgada de unión simple, superando la eficiencia máxima del 26,1 % para las células solares estándar de unión simple de primera generación. Las células concentradoras de unión múltiple que incorporan tecnologías de película delgada alcanzaron eficiencias de hasta el 47,6 % en 2023. [ 1 ]
Se ha descubierto que muchas tecnologías de película delgada tienen vidas útiles más cortas y tasas de degradación mayores que las celdas de primera generación en pruebas de vida acelerada , lo que ha contribuido a su implementación algo limitada. A nivel mundial, la cuota de mercado de las tecnologías de película delgada en el sector fotovoltaico se mantiene en torno al 5 % a partir de 2023. [ 2 ] Sin embargo, la tecnología de película delgada se ha vuelto considerablemente más popular en Estados Unidos, donde las celdas de CdTe por sí solas representaron el 29 % de las nuevas instalaciones a escala industrial en 2021. [ 3 ]
Historia
Las primeras investigaciones sobre células solares de película delgada comenzaron en la década de 1970. En 1970, el equipo de Zhores Alferov en el Instituto Ioffe creó las primeras células solares de arseniuro de galio (GaAs), ganando posteriormente el Premio Nobel de Física de 2000 por este y otros trabajos. [ 4 ] [ 5 ] Dos años más tarde, en 1972, el Prof. Karl Böer fundó el Instituto de Conversión de Energía (IEC) en la Universidad de Delaware para impulsar la investigación solar de película delgada. El instituto se centró inicialmente en células de sulfuro de cobre/sulfuro de cadmio (Cu 2 S/CdS) y posteriormente se expandió a películas delgadas de fosfuro de zinc (Zn 3 P 2 ) y silicio amorfo (a-Si) también en 1975. [ 6 ] En 1973, el IEC presentó una casa alimentada por energía solar, Solar One, en el primer ejemplo de fotovoltaica integrada en edificios residenciales. [ 7 ] En la década siguiente, el interés en la tecnología de película delgada para uso comercial y aplicaciones aeroespaciales [ 8 ] aumentó significativamente, y varias empresas comenzaron el desarrollo de dispositivos solares de película delgada de silicio amorfo. [ 9 ] Las eficiencias solares de película delgada aumentaron al 10 % para Cu 2 S/CdS en 1980, [ 10 ] y en 1986 ARCO Solar lanzó la primera celda solar de película delgada disponible comercialmente, la G-4000, hecha de silicio amorfo. [ 11 ]
En las décadas de 1990 y 2000, las células solares de película delgada experimentaron aumentos significativos en eficiencias máximas y expansión de las tecnologías de película delgada existentes a nuevos sectores. En 1992, se desarrolló una célula solar de película delgada con una eficiencia superior al 15% en la Universidad del Sur de Florida . [ 10 ] Solo siete años después, en 1999, el Laboratorio Nacional de Energía Renovable de EE. UU. y Spectrolab colaboraron en una célula solar de arseniuro de galio de tres uniones que alcanzó una eficiencia del 32%. [ 12 ] Ese mismo año, Kiss + Cathcart diseñó células solares de película delgada transparentes para algunas de las ventanas en 4 Times Square , generando suficiente electricidad para alimentar de 5 a 7 casas. [ 13 ] [ 10 ] En 2000, BP Solar presentó dos nuevas células solares comerciales basadas en tecnología de película delgada. [ 10 ] En 2001, se desarrollaron las primeras células solares orgánicas de película delgada en la Universidad Johannes Kepler de Linz . En 2005, las células solares de GaAs se volvieron aún más delgadas con las primeras células independientes (sin sustrato) introducidas por investigadores de la Universidad de Radboud . [ 14 ]
Esta también fue una época de avances significativos en la exploración de nuevos materiales solares de tercera generación, materiales con el potencial de superar los límites teóricos de eficiencia de los materiales tradicionales de estado sólido. [ 15 ] En 1991, se desarrolló la primera celda solar sensibilizada con colorante de alta eficiencia , reemplazando la capa semiconductora sólida (activa) ordinaria de la celda con una mezcla de electrolito líquido que contenía un colorante absorbente de luz. [ 16 ] A principios de la década de 2000, comenzó el desarrollo de celdas solares de puntos cuánticos, [ 15 ] tecnología que posteriormente fue certificada por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable en 2011. [ 17 ] En 2009, investigadores de la Universidad de Tokio informaron sobre un nuevo tipo de celda solar que utilizaba perovskitas como capa activa y que alcanzaba una eficiencia superior al 3%, [ 18 ] basándose en el trabajo de Murase Chikao de 1999 que creó una capa de perovskita capaz de absorber luz. [ 19 ]
En la década de 2010 y principios de la de 2020, la innovación en la tecnología solar de película delgada ha incluido esfuerzos para expandir la tecnología solar de tercera generación a nuevas aplicaciones y para disminuir los costos de producción, así como mejoras significativas en la eficiencia tanto para materiales de segunda como de tercera generación. En 2015, Kyung-In Synthetic lanzó las primeras células solares de inyección de tinta , células solares flexibles hechas con impresoras industriales. [ 20 ] En 2016, el Laboratorio de Electrónica Orgánica y Nanoestructurada (ONE) de Vladimir Bulović en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) creó células de película delgada lo suficientemente ligeras como para posarse sobre burbujas de jabón. [ 21 ] En 2022, el mismo grupo presentó células solares orgánicas flexibles de película delgada integradas en tela. [ 22 ] [ 23 ]
La tecnología solar de película delgada alcanzó una cuota de mercado global máxima del 32 % del nuevo despliegue fotovoltaico en 1988 antes de declinar durante varias décadas y alcanzar otro pico menor del 17 % nuevamente en 2009. [ 2 ] [ 24 ] La cuota de mercado luego disminuyó constantemente hasta el 5 % en 2021 a nivel mundial, [ 2 ] sin embargo, la tecnología de película delgada capturó aproximadamente el 19 % de la cuota de mercado total de EE. UU. en el mismo año, incluyendo el 30 % de la producción a escala de servicios públicos. [ 3 ]
Teoría de funcionamiento
En una célula solar típica, el efecto fotovoltaico se utiliza para generar electricidad a partir de la luz solar. La capa activa o absorbente de luz de la célula solar suele ser un material semiconductor , lo que significa que existe una brecha en su espectro de energía entre la banda de valencia de electrones localizados alrededor de los iones anfitriones y la banda de conducción de electrones de mayor energía que pueden moverse libremente por todo el material. Para la mayoría de los materiales semiconductores a temperatura ambiente , los electrones que no han adquirido energía adicional de otra fuente se encuentran principalmente en la banda de valencia, con pocos o ningún electrón en la banda de conducción. Cuando un fotón solar llega a la capa activa semiconductora de una célula solar, los electrones en la banda de valencia pueden absorber la energía del fotón y excitarse a la banda de conducción, lo que les permite moverse libremente por todo el material. Cuando esto sucede, queda un estado electrónico vacío (o hueco ) en la banda de valencia. Juntos, el electrón de la banda de conducción y el hueco de la banda de valencia forman un par electrón-hueco . Tanto el electrón como el hueco en el par electrón-hueco pueden moverse libremente por todo el material como electricidad. [ 25 ] Sin embargo, si el par electrón-hueco no se separa, el electrón y el hueco pueden recombinarse en el estado original de menor energía, liberando un fotón de la energía correspondiente. En equilibrio termodinámico , el proceso directo (absorber un fotón para excitar un par electrón-hueco) y el proceso inverso (emitir un fotón para destruir un par electrón-hueco) deben ocurrir a la misma velocidad por el principio de equilibrio detallado . Por lo tanto, para construir una celda solar a partir de un material semiconductor y extraer corriente durante el proceso de excitación, el electrón y el hueco del par electrón-hueco deben separarse. Esto se puede lograr de diversas maneras, pero la más común es con una unión pn , donde una capa semiconductora dopada positivamente (tipo p) y una capa semiconductora dopada negativamente (tipo n) se encuentran, creando una diferencia de potencial químico que atrae a los electrones en una dirección y a los huecos en la otra, separando el par electrón-hueco. [ 26 ] Esto puede lograrse en cambio utilizando contactos metálicos con diferentes funciones de trabajo , como en una celda de unión Schottky .
En una celda solar de película delgada, el proceso es prácticamente el mismo, pero la capa semiconductora activa es mucho más delgada. Esto puede ser posible gracias a alguna propiedad intrínseca del material semiconductor utilizado que le permite convertir una cantidad particularmente grande de fotones por espesor. Por ejemplo, algunos materiales de película delgada tienen una banda prohibida directa , lo que significa que los estados electrónicos de la banda de conducción y de valencia están en el mismo momento en lugar de momentos diferentes como en el caso de un semiconductor de banda prohibida indirecta como el silicio. Tener una banda prohibida directa elimina la necesidad de una fuente o sumidero de momento (típicamente una vibración de la red o fonón ), simplificando el proceso de dos pasos de absorción de un fotón a un proceso de un solo paso. [ 27 ] Otros materiales de película delgada pueden absorber más fotones por espesor simplemente debido a que tienen una banda prohibida de energía que se ajusta bien a la energía pico del espectro solar , lo que significa que hay muchos fotones solares de la energía correcta disponibles para excitar pares electrón-hueco.
En otras células solares de película delgada, la capa semiconductora puede reemplazarse por completo con otro material que absorba la luz, por ejemplo, una solución electrolítica y moléculas de tinte fotoactivas en una célula solar sensibilizada con tinte o por puntos cuánticos en una célula solar de puntos cuánticos .
Materiales
Las tecnologías de película delgada reducen la cantidad de material activo en una celda. La capa activa puede colocarse sobre un sustrato rígido hecho de vidrio, plástico o metal, o la celda puede fabricarse con un sustrato flexible como tela. Las celdas solares de película delgada tienden a ser más baratas que las celdas de silicio cristalino y tienen un menor impacto ecológico. [ 28 ] Su naturaleza delgada y flexible también las hace ideales para aplicaciones como la fotovoltaica integrada en edificios. La mayoría de los paneles de película tienen eficiencias de conversión 2-3 puntos porcentuales menores que el silicio cristalino, [ 29 ] aunque algunos materiales de película delgada superan a los paneles de silicio cristalino en términos de eficiencia. El telururo de cadmio (CdTe), el seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) y el silicio amorfo (a-Si) son tres de las tecnologías de película delgada más destacadas.
Materiales de película delgada de segunda generación
telururo de cadmio
El telururo de cadmio (CdTe) es un material calcogenuro que constituye la tecnología de película delgada predominante. Con aproximadamente el 5 % de la producción mundial de paneles fotovoltaicos, representa más de la mitad del mercado de películas delgadas. La eficiencia de laboratorio de la célula también ha aumentado significativamente en los últimos años y, a partir de 2013, se encuentra a la par con la de las películas delgadas de CIGS y cerca de la eficiencia del silicio multicristalino. [ 30 ] : 24–25 Además, el CdTe tiene el menor tiempo de recuperación energética de todas las tecnologías fotovoltaicas de producción masiva, pudiendo ser de tan solo ocho meses en ubicaciones favorables. [ 30 ] : 31 El CdTe también presenta un mejor rendimiento que la mayoría de los demás materiales fotovoltaicos de película delgada en muchos factores importantes de impacto ambiental, como el potencial de calentamiento global y las emisiones de metales pesados. [ 31 ] Un fabricante destacado es la empresa estadounidense First Solar, con sede en Tempe, Arizona , que produce paneles de CdTe con una eficiencia de aproximadamente el 18 %. [ 32 ]
Aunque la toxicidad del cadmio puede no ser un problema grave y las preocupaciones ambientales se resuelven por completo con el reciclaje de los módulos de CdTe al final de su vida útil, [ 33 ] aún existen incertidumbres [ 34 ] y la opinión pública se muestra escéptica respecto a esta tecnología. [ 35 ] [ 36 ] El uso de materiales raros también puede convertirse en un factor limitante para la escalabilidad industrial de la tecnología de película delgada de CdTe. La rareza del telurio —del cual el telururo es la forma aniónica— es comparable a la del platino en la corteza terrestre y contribuye significativamente al costo del módulo. [ 37 ]
seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS)
Al igual que el CdTe, el seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) y sus variantes son semiconductores compuestos de calcogenuro. Las células solares de CIGS alcanzaron una eficiencia de laboratorio superior al 23 por ciento (véase la tabla) y una cuota del 0,8 por ciento en el mercado fotovoltaico general en 2021. [ 42 ] En 2025, los investigadores lograron un nuevo hito para las células solares en tándem basadas en CIGS, informando de una eficiencia de conversión de potencia récord mundial del 23,64 por ciento para un dispositivo en tándem flexible de perovskita-CIGS, lo que pone de relieve los continuos avances en el rendimiento de la tecnología CIGS. [ 43 ] Numerosas empresas han producido células y módulos solares de CIGS; sin embargo, algunas de ellas han reducido significativamente o cesado la producción durante los últimos años.
La investigación actual tiene como objetivo mejorar las propiedades relacionadas con la fabricación y la funcionalidad mediante la modificación o sustitución de las capas individuales, por ejemplo:
- Se están investigando materiales alternativos para reemplazar el sulfuro de cadmio como capa amortiguadora debido a su potencial peligrosidad. [ 44 ]
- El molibdeno como contacto posterior se reemplaza por una película conductora transparente para obtener células solares bifaciales . [ 45 ]
- Las células solares CIGS muestran una pérdida de eficiencia particularmente baja cuando se depositan sobre un sustrato flexible en lugar de vidrio (ver tabla), por lo que se consideran candidatas prometedoras para módulos solares flexibles y ligeros . [ 46 ]
Además del potencial de desarrollo de las otras capas de la celda solar, el material absorbente CIGS posee la notable propiedad de que su banda prohibida puede ajustarse modificando la proporción de indio y galio en el compuesto. Al ajustar la banda prohibida, se puede cambiar la fracción del espectro solar absorbida por la celda solar, lo que hace que las celdas CIGS sean especialmente interesantes como componentes de celdas solares de múltiples uniones . [ 46 ]
También es posible sustituir parcialmente el cobre por plata y el selenio por azufre , obteniendo el compuesto (Ag z Cu 1-z )(In 1−x Ga x )(Se 1−y S y ) 2 . Para distinguir el compuesto sin azufre, a veces se abrevia como CIGSe, mientras que el acrónimo CIGS puede referirse tanto a compuestos que contienen azufre como selenio. El compuesto que contiene plata a veces se denomina ACIGS. Las variaciones de la composición de CIGS son objeto de investigación actual y, en parte, también se fabrican en la industria.
Silicio
Existen tres arquitecturas de película delgada de silicio destacadas:
- Celdas de silicio amorfo
- Células en tándem amorfas/microcristalinas (micromorfas)
- Silicio policristalino de película delgada sobre vidrio. [ 47 ]
silicio amorfo
El silicio amorfo (a-Si) es una forma alotrópica no cristalina del silicio y la tecnología de película delgada más desarrollada hasta la fecha. El silicio de película delgada es una alternativa al silicio cristalino convencional en obleas (o bloques ) . Si bien las células de película delgada de CdTe y CIS basadas en calcogenuros se han desarrollado en el laboratorio con gran éxito, la industria sigue interesada en las células de película delgada basadas en silicio. Los dispositivos basados en silicio presentan menos problemas que sus contrapartes de CdTe y CIS, como la toxicidad y los problemas de humedad en las células de CdTe y los bajos rendimientos de fabricación de CIS debido a la complejidad del material. Además, aunque existe resistencia política al uso de materiales no "verdes" en la producción de energía solar, no hay estigma en el uso del silicio estándar.
Este tipo de celda de película delgada se fabrica principalmente mediante una técnica denominada deposición química en fase vapor asistida por plasma . Esta técnica utiliza una mezcla gaseosa de silano (SiH₄ ) e hidrógeno para depositar una capa muy delgada de silicio de tan solo 1 micrómetro (μm) sobre un sustrato, como vidrio, plástico o metal, que ya ha sido recubierto con una capa de óxido conductor transparente . Otros métodos utilizados para depositar silicio amorfo sobre un sustrato incluyen la pulverización catódica y las técnicas de deposición química en fase vapor con filamento caliente . [ 48 ]
El silicio amorfo (a-Si) resulta atractivo como material para células solares por su abundancia y su naturaleza no tóxica. Requiere una baja temperatura de procesamiento y permite una producción escalable sobre un sustrato flexible y económico, con una mínima cantidad de silicio. Gracias a su banda prohibida de 1,7 eV, el silicio amorfo absorbe un amplio espectro de luz , incluyendo infrarrojos e incluso algo de ultravioleta , y ofrece un rendimiento óptimo incluso con luz tenue. Esto permite que la célula genere energía temprano por la mañana o al final de la tarde, así como en días nublados o lluviosos, a diferencia de las células de silicio cristalino , cuya eficiencia es significativamente menor cuando se exponen a la luz solar difusa e indirecta .
Sin embargo, la eficiencia de una celda de a-Si sufre una caída significativa de entre el 10 y el 30 por ciento durante los primeros seis meses de funcionamiento. Esto se conoce como el efecto Staebler-Wronski (SWE), una pérdida típica de la producción eléctrica debida a cambios en la fotoconductividad y la conductividad oscura causados por la exposición prolongada a la luz solar. Si bien esta degradación es perfectamente reversible mediante un recocido a 150 °C o más, las celdas solares de c-Si convencionales no presentan este efecto.
Su estructura electrónica básica es la unión pin . La estructura amorfa del a-Si implica un alto desorden inherente y enlaces colgantes, lo que lo convierte en un mal conductor para los portadores de carga. Estos enlaces colgantes actúan como centros de recombinación que reducen drásticamente la vida útil de los portadores. Generalmente se utiliza una estructura pin, en lugar de una estructura nip. Esto se debe a que la movilidad de los electrones en el a-Si:H es aproximadamente uno o dos órdenes de magnitud mayor que la de los huecos, y por lo tanto, la tasa de recolección de electrones que se mueven del contacto de tipo n al de tipo p es mejor que la de los huecos que se mueven del contacto de tipo p al de tipo n. Por consiguiente, la capa de tipo p debe colocarse en la parte superior, donde la intensidad de la luz es mayor, de modo que la mayoría de los portadores de carga que cruzan la unión sean electrones. [ 49 ]
Celda en tándem que utiliza a-Si/μc-Si
Una capa de silicio amorfo se puede combinar con capas de otras formas alotrópicas de silicio para producir una célula solar de múltiples uniones . Cuando solo se combinan dos capas (dos uniones pn), se denomina célula en tándem . Al apilar estas capas una encima de la otra, se absorbe un rango más amplio del espectro de luz, lo que mejora la eficiencia general de la célula.
En el silicio micromorfo , una capa de silicio microcristalino (μc-Si) se combina con silicio amorfo, creando una celda en tándem. La capa superior de a-Si absorbe la luz visible, dejando la parte infrarroja a la capa inferior de μc-Si. El concepto de celda apilada micromorfa fue desarrollado y patentado en el Instituto de Microtecnología (IMT) de la Universidad de Neuchâtel en Suiza, [ 50 ] y fue licenciado a TEL Solar . Un nuevo módulo fotovoltaico récord mundial basado en el concepto micromorfo , con una eficiencia del 12,24%, fue certificado de forma independiente en julio de 2014. [ 51 ]
Dado que todas las capas están hechas de silicio, se pueden fabricar mediante PECVD. La banda prohibida del a-Si es de 1,7 eV y la del c-Si es de 1,1 eV. La capa de c-Si puede absorber luz roja e infrarroja. La máxima eficiencia se logra en la transición entre a-Si y c-Si. Como el silicio nanocristalino (nc-Si) tiene aproximadamente la misma banda prohibida que el c-Si, el nc-Si puede sustituir al c-Si. [ 52 ]
Celda en tándem que utiliza a-Si/pc-Si
El silicio amorfo también se puede combinar con silicio protocristalino (pc-Si) en una celda en tándem. El silicio protocristalino con una baja fracción volumétrica de silicio nanocristalino es óptimo para un alto voltaje de circuito abierto . [ 53 ] Estos tipos de silicio presentan enlaces colgantes y retorcidos, lo que da como resultado defectos profundos (niveles de energía en la banda prohibida) así como deformación de las bandas de valencia y conducción (colas de banda).
Silicio policristalino sobre vidrio
Un nuevo intento de combinar las ventajas del silicio masivo con las de los dispositivos de película delgada consiste en el uso de silicio policristalino de película delgada sobre vidrio. Estos módulos se fabrican depositando un recubrimiento antirreflectante y silicio dopado sobre sustratos de vidrio texturizado mediante deposición química en fase vapor asistida por plasma (PECVD). La textura del vidrio mejora la eficiencia de la célula en aproximadamente un 3 % al reducir la cantidad de luz incidente que se refleja en la célula solar y al atrapar la luz en su interior. La película de silicio se cristaliza mediante un proceso de recocido a temperaturas de entre 400 y 600 grados Celsius, obteniendo así silicio policristalino.
Estos nuevos dispositivos muestran eficiencias de conversión de energía del 8 % y altos rendimientos de fabricación superiores al 90 %. El silicio cristalino sobre vidrio (CSG), donde el silicio policristalino tiene un tamaño de 1 a 2 micrómetros, destaca por su estabilidad y durabilidad; el uso de técnicas de película delgada también contribuye a un ahorro de costes en comparación con los sistemas fotovoltaicos convencionales. Estos módulos no requieren la presencia de una capa de óxido conductor transparente. Esto simplifica el proceso de producción de dos maneras: no solo se puede omitir este paso, sino que la ausencia de esta capa simplifica enormemente el proceso de construcción de un esquema de contacto. Ambas simplificaciones reducen aún más el coste de producción. A pesar de las numerosas ventajas sobre otros diseños alternativos, las estimaciones de costes de producción por unidad de área muestran que estos dispositivos son comparables en coste a las células de película delgada amorfas de unión simple. [ 47 ]
arseniuro de galio
El arseniuro de galio (GaAs) es un semiconductor de banda prohibida directa III-V y un material muy común utilizado para células solares de película delgada monocristalinas. Las células solares de GaAs han seguido siendo unas de las células solares de película delgada de mayor rendimiento debido a sus excepcionales propiedades de resistencia al calor y altas eficiencias. [ 54 ] A partir de 2019, las células de GaAs monocristalinas han mostrado la mayor eficiencia de célula solar de cualquier célula solar de unión simple con una eficiencia del 29,1 %. [ 55 ] Esta célula récord logró esta alta eficiencia mediante la implementación de un espejo posterior en la superficie trasera para aumentar la absorción de fotones, lo que permitió a la célula alcanzar una impresionante densidad de corriente de cortocircuito y un valor de voltaje de circuito abierto cercano al límite de Shockley-Queisser . [ 56 ] Como resultado, las células solares de GaAs casi han alcanzado su máxima eficiencia, aunque aún se pueden realizar mejoras empleando estrategias de captura de luz. [ 57 ]
Las películas delgadas de GaAs se fabrican comúnmente mediante el crecimiento epitaxial del semiconductor sobre un sustrato. La técnica de levantamiento epitaxial (ELO), demostrada por primera vez en 1978, ha demostrado ser la más prometedora y eficaz. En este método, la capa de película delgada se despega del sustrato mediante el grabado selectivo de una capa de sacrificio colocada entre la película epitaxial y el sustrato. [ 58 ] La película de GaAs y el sustrato sufren daños mínimos durante el proceso de separación, lo que permite la reutilización del sustrato anfitrión. [ 59 ] Con la reutilización del sustrato, los costos de fabricación pueden reducirse, pero no eliminarse por completo, ya que el sustrato solo se puede reutilizar un número limitado de veces. [ 57 ] Este proceso sigue siendo relativamente costoso y se siguen realizando investigaciones para encontrar formas más rentables de cultivar la capa de película epitaxial sobre un sustrato.
A pesar del alto rendimiento de las células de película delgada de GaAs, el elevado coste de los materiales dificulta su adopción generalizada en la industria de las células solares. El GaAs se utiliza con mayor frecuencia en células solares multijunción para paneles solares en naves espaciales , ya que su mayor relación potencia-peso reduce los costes de lanzamiento en la energía solar espacial ( células InGaP / (In)GaAs / Ge ). También se utilizan en sistemas fotovoltaicos de concentración , una tecnología emergente idónea para lugares con alta irradiación solar, que emplea lentes para concentrar la luz solar en una célula solar de GaAs mucho más pequeña y, por lo tanto, menos costosa.
Materiales de película delgada de tercera generación (emergentes)
El Laboratorio Nacional de Energías Renovables clasifica varias tecnologías de película delgada como fotovoltaicas emergentes; la mayoría aún no se han aplicado comercialmente y se encuentran en fase de investigación o desarrollo. Muchas utilizan materiales orgánicos, a menudo compuestos organometálicos , así como sustancias inorgánicas. Si bien muchas de estas tecnologías han tenido problemas de inestabilidad y baja eficiencia en sus etapas iniciales, algunos materiales emergentes, como las perovskitas, han logrado eficiencias comparables a las de las células de silicio monocristalino. Muchas de estas tecnologías tienen el potencial de superar el límite de Shockley-Queisser para la eficiencia de una célula de estado sólido de unión simple. Se ha invertido una importante cantidad de investigación en estas tecnologías, ya que prometen lograr el objetivo de producir células solares de bajo costo y alta eficiencia con un menor impacto ambiental.
Sulfuro de cobre, zinc y estaño (CZTS)
El sulfuro de cobre, zinc y estaño o Cu(Zn,Sn)(S,Se) ₂ , comúnmente abreviado como CZTS, y sus derivados CZTSe y CZTSSe pertenecen a un grupo de calcogenuros (como CdTe y CIGS/CIS), a veces llamados kesteritas , y están compuestos de elementos abundantes y no tóxicos en la Tierra. A diferencia del CdTe y el CIGS, el CZTS se fabrica a partir de materias primas abundantes y no tóxicas. Además, la banda prohibida del CZTS se puede ajustar cambiando la relación S/Se, lo cual es una propiedad deseable para el diseño de células solares óptimas. [ 60 ]
El CZTS también tiene un alto coeficiente de absorción de luz, pero la investigación actual se centra en superar las pérdidas de eficiencia atribuidas a la alta densidad de defectos y los efectos de cola de banda. Las células solares de CZTS más eficientes en la actualidad han alcanzado una eficiencia de alrededor del 12,6 %, [ 61 ] [ 62 ] que es inferior a la de sus homólogas de CdTe y CIGS. Para mejorar aún más la eficiencia, la investigación está explorando contactos posteriores alternativos con menor pérdida óptica (mayor reflectividad) y métodos para optimizar el transporte de portadores y reducir las pérdidas por recombinación. [ 63 ]
Otros materiales fotovoltaicos (FV) de calcogenuro emergentes incluyen compuestos a base de antimonio como Sb₂(S,Se)₃. Al igual que el CZTS, estos materiales presentan brechas de banda ajustables y una fuerte absorción de luz. Los compuestos a base de antimonio también poseen una estructura cristalina cuasi-unidimensional, lo que puede ofrecer ventajas para la ingeniería de dispositivos. En conjunto, estos materiales de calcogenuro emergentes se benefician de su relación con una familia bien establecida de tecnologías fotovoltaicas de película delgada. A partir de 2022, las células solares de CZTS han alcanzado eficiencias de conversión de potencia reportadas de aproximadamente 12,6 %, mientras que las células solares a base de antimonio han alcanzado eficiencias de hasta 9,9 %. [ 64 ]
Colorante sensibilizado (DSPV)
Las células sensibilizadas por colorante, también conocidas como células de Grätzel o DSPV, son células innovadoras que realizan una especie de fotosíntesis artificial, [ 65 ] eliminando la necesidad de un semiconductor de estado sólido masivo o una unión pn. En cambio, se construyen utilizando una capa de colorante fotoactivo mezclado con nanopartículas de óxido de metal de transición semiconductor sobre una solución electrolítica líquida, rodeada de contactos eléctricos hechos de platino o, a veces, grafeno y encapsulada en vidrio. Cuando los fotones entran en la célula, pueden ser absorbidos por las moléculas de colorante, poniéndolas en su estado sensibilizado. En este estado, las moléculas de colorante pueden inyectar electrones en la banda de conducción del semiconductor. Los electrones del colorante son luego repuestos por el electrodo, evitando la recombinación del par electrón-hueco. El electrón en el semiconductor fluye hacia afuera como corriente a través de los contactos eléctricos. [ 66 ]
Las células solares sensibilizadas por colorante son atractivas porque permiten una fabricación en rollo económica y rentable. [ 60 ] Sin embargo, en la práctica, la inclusión de materiales costosos como el platino y el rutenio impide alcanzar estos bajos costos. [ 60 ] Las células sensibilizadas por colorante también presentan problemas de estabilidad y degradación, particularmente debido al electrolito líquido. En entornos de alta temperatura, el electrolito puede filtrarse de la célula, mientras que en entornos de baja temperatura puede congelarse. Algunos de estos problemas pueden superarse utilizando un electrolito cuasi-sólido . [ 65 ]
A partir de 2023, la eficiencia máxima alcanzada de una celda solar sensibilizada con colorante es de alrededor del 13%. [ 67 ]
Celdas fotovoltaicas orgánicas (OPV)
Las células solares orgánicas utilizan polímeros semiconductores orgánicos como material fotoactivo. Estos polímeros orgánicos son económicos de producir y permiten ajustar altos coeficientes de absorción. [ 65 ] La fabricación de células solares orgánicas también es rentable y puede emplear técnicas de producción eficientes de rollo a rollo. Además, presentan algunos de los índices de impacto ambiental más bajos de todas las tecnologías fotovoltaicas en una amplia gama de factores de impacto, incluyendo el tiempo de recuperación energética y el potencial de calentamiento global. [ 68 ]
Las células orgánicas son naturalmente flexibles, lo que las hace idóneas para numerosas aplicaciones. Científicos del Laboratorio de Electrónica Orgánica y Nanoestructurada (ONE Lab) del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han integrado células fotovoltaicas orgánicas en sustratos de tela flexible que pueden desenrollarse más de 500 veces sin degradación. [ 22 ]
Sin embargo, las células solares orgánicas generalmente no son muy estables y tienden a tener una vida útil corta. También tienden a ser menos eficientes que otras células de película delgada debido a algunas limitaciones intrínsecas del material, como una gran energía de enlace para los pares electrón-hueco. [ 65 ] A partir de 2023, la eficiencia máxima alcanzada para las células solares orgánicas es del 18,2 %. [ 67 ]
células solares de perovskita
Las perovskitas son un grupo de materiales con una estructura cristalina común, que reciben su nombre de su descubridor, el mineralogista Lev Perovski . Las perovskitas más utilizadas en aplicaciones fotovoltaicas son los haluros de plomo y metilamonio híbridos orgánicos-inorgánicos, que poseen una serie de propiedades ventajosas, como brechas de banda ampliamente ajustables, altos coeficientes de absorción y buenas propiedades de transporte electrónico tanto para electrones como para huecos. [ 69 ] En 2023, las células solares de perovskita de unión simple alcanzaron una eficiencia máxima del 25,7 %, rivalizando con la del silicio monocristalino. Las perovskitas también se utilizan comúnmente en células en tándem y de múltiples uniones con silicio cristalino, CIGS y otras tecnologías fotovoltaicas para lograr eficiencias aún mayores. [ 67 ] Además, ofrecen un amplio espectro de aplicaciones de bajo coste. [ 70 ] [ 71 ] [ 72 ]
Sin embargo, las células de perovskita tienden a tener una vida útil corta, siendo 5 años una vida útil típica en 2016. [ 69 ] Esto se debe principalmente a su inestabilidad química cuando se exponen a la luz, la humedad, la radiación UV y las altas temperaturas, lo que puede incluso provocar una transición estructural que afecta el funcionamiento del dispositivo. Por lo tanto, una encapsulación adecuada es muy importante. [ 65 ]
Celdas fotovoltaicas de puntos cuánticos (QDPV)
Las células fotovoltaicas de puntos cuánticos (QDPV) reemplazan la capa activa semiconductora de estado sólido habitual con puntos cuánticos semiconductores. La banda prohibida de la capa fotoactiva se puede ajustar cambiando el tamaño de los puntos cuánticos. [ 60 ] Las QDPV tienen el potencial de generar más de un par electrón-hueco por fotón en un proceso llamado generación de excitones múltiples (MEG), lo que podría permitir una eficiencia de conversión máxima teórica del 87%, [ 31 ] aunque a partir de 2023 la eficiencia máxima alcanzada de una célula QDPV es de alrededor del 18,1%. [ 67 ] Esta eficiencia supera el límite de Shockley-Queisser, lo que convierte a las QDPV en una tecnología emergente prometedora. Las células QDPV también tienden a usar mucho menos material de la capa activa que otros tipos de células solares, lo que lleva a un proceso de fabricación de bajo costo.
A pesar de estas ventajas, las células fotovoltaicas de puntos cuánticos aún enfrentan importantes desafíos, como altas densidades de defectos, problemas de estabilidad y altos niveles de recombinación de carga. Además, la síntesis y el procesamiento de puntos cuánticos a menudo involucran materiales tóxicos como plomo y cadmio, lo que genera preocupación ambiental. [ 31 ] La investigación actual se centra en el desarrollo de puntos cuánticos ecológicos basados en materiales libres de plomo y en la mejora del procesamiento de películas de puntos cuánticos para aumentar la estabilidad y la eficiencia. [ 63 ]
Aplicaciones
Celdas solares transparentes
En 2022, se reportaron células solares semitransparentes tan grandes como ventanas, [ 73 ] luego de que los miembros del equipo del estudio lograran una eficiencia récord con alta transparencia en 2020. [ 74 ] [ 75 ] También en 2022, otros investigadores reportaron la fabricación de células solares con una transparencia visible promedio récord del 79%, siendo casi invisibles. [ 76 ] [ 77 ]
Sistemas fotovoltaicos integrados en edificios
Los materiales fotovoltaicos de película delgada tienden a ser ligeros y flexibles, lo que los hace idóneos para la integración fotovoltaica en edificios (BIPV). [ 78 ] Algunos ejemplos comunes incluyen la integración de módulos semitransparentes en el diseño de ventanas [ 13 ] y el uso de paneles rígidos de película delgada para reemplazar materiales de techado. La BIPV puede reducir significativamente el impacto ambiental a lo largo de la vida útil (como las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI)) de los módulos de células solares, gracias a las emisiones evitadas al no utilizar los materiales de construcción habituales. [ 79 ]
Eficiencias
A pesar de sus eficiencias iniciales más bajas, muchas tecnologías de película delgada presentan eficiencias comparables a las de las células solares de silicio cristalino convencionales de unión simple sin concentrador, que alcanzan una eficiencia máxima del 26,1 % en 2023. De hecho, tanto las células de película delgada de GaAs como las de monocristal de GaAs presentan eficiencias máximas superiores, del 29,1 % y el 27,4 %, respectivamente. En el gráfico se muestran las eficiencias máximas de las células de película delgada de unión simple sin concentrador fabricadas con diversos materiales destacados.
Eficiencias de los módulos comerciales
Es importante señalar que las eficiencias máximas alcanzadas en un entorno de laboratorio son generalmente más altas que las eficiencias de las células fabricadas, que a menudo tienen eficiencias entre un 20 % y un 50 % menores. [ 69 ] A partir de 2021, la eficiencia máxima de las células solares fabricadas fue del 24,4 % para silicio monocristalino, del 20,4 % para silicio policristalino, del 12,3 % para silicio amorfo, del 19,2 % para CIGS y del 19 % para módulos de CdTe. [ 80 ] El prototipo de célula de película delgada con la mejor eficiencia produce un 20,4 % (First Solar), comparable a la mejor eficiencia del prototipo de célula solar convencional del 25,6 % de Panasonic . [ 81 ] [ 82 ]
Solar Frontier , el mayor proveedor mundial de energía solar CIS (cobre, indio y selenio), alcanzó un récord anterior de eficiencia del 22,3 % en células solares de película delgada . En una investigación conjunta con la Organización para el Desarrollo de Nuevas Energías y Tecnologías Industriales (NEDO) de Japón, Solar Frontier logró una eficiencia de conversión del 22,3 % en una célula de 0,5 cm² utilizando su tecnología CIS. Esto representó un aumento de 0,6 puntos porcentuales con respecto al récord anterior de la industria para células de película delgada, que era del 21,7 %. [ 83 ]
Cálculo de la eficiencia
La eficiencia de una celda solar cuantifica el porcentaje de luz incidente que se convierte en electricidad utilizable. Existen muchos factores que afectan la eficiencia de una celda solar, por lo que esta puede parametrizarse aún más mediante cantidades numéricas adicionales, como la corriente de cortocircuito, la tensión de circuito abierto , el punto de máxima potencia, el factor de llenado y la eficiencia cuántica . La corriente de cortocircuito es la corriente máxima que la celda puede soportar sin carga de tensión. De manera similar, la tensión de circuito abierto es la tensión en el dispositivo sin corriente o, alternativamente, la tensión necesaria para que no circule corriente. En una curva de corriente frente a tensión (I-V), la tensión de circuito abierto es la intersección horizontal de la curva con el eje de tensión, y la corriente de cortocircuito es la intersección vertical de la curva con el eje de corriente. El punto de máxima potencia es el punto de la curva donde se alcanza la máxima potencia de salida de la celda solar, y el área del rectángulo cuyos lados son iguales a las coordenadas de corriente y tensión de dicho punto se denomina factor de llenado. El factor de llenado es una medida de la potencia que la celda solar alcanza en este punto de máxima potencia. Intuitivamente, las curvas I-V con una forma más cuadrada y una parte superior y lateral más planas tendrán un factor de llenado mayor y, por lo tanto, una mayor eficiencia. [ 84 ] Mientras que estos parámetros caracterizan la eficiencia de la celda solar basándose principalmente en sus propiedades eléctricas macroscópicas, la eficiencia cuántica mide la relación entre el número de fotones incidentes en la celda y el número de portadores de carga extraídos (eficiencia cuántica externa) o la relación entre el número de fotones absorbidos por la celda y el número de portadores de carga extraídos (eficiencia cuántica interna). En cualquier caso, la eficiencia cuántica es una sonda más directa de la estructura microscópica de la celda solar. [ 85 ]
Aumentar la eficiencia
Algunas células solares de tercera generación aumentan la eficiencia mediante la integración de una geometría de concentrador y/o de unión múltiple. [ 64 ] Esto puede conducir a eficiencias mayores que el límite de Shockley-Queisser de aproximadamente el 42 % de eficiencia para una célula solar semiconductora de unión simple bajo iluminación solar de un sol. [ 86 ]
Una celda multijunción es aquella que incorpora múltiples capas activas semiconductoras con diferentes brechas de banda. En una celda solar típica, se utiliza un único absorbedor con una brecha de banda cercana al pico del espectro solar, y cualquier fotón con energía mayor o igual a la brecha de banda puede excitar los electrones de la banda de valencia a la banda de conducción para crear pares electrón-hueco. Sin embargo, cualquier exceso de energía por encima de la energía de Fermi se disipará rápidamente debido a la termalización, lo que provoca pérdidas de voltaje por la incapacidad de extraer eficientemente la energía de los fotones de alta energía. Las celdas multijunción pueden recuperar parte de esta energía perdida por termalización apilando múltiples capas absorbedoras una encima de la otra, de modo que la capa superior absorbe los fotones de mayor energía y permite que los fotones de menor energía pasen a las capas inferiores con brechas de banda más pequeñas, y así sucesivamente. Esto no solo permite que las celdas capturen energía de fotones en un rango más amplio de energías, sino que también extrae más energía por fotón de los fotones de mayor energía.
Las células fotovoltaicas de concentración utilizan un sistema óptico de lentes que se colocan sobre la célula para enfocar la luz de un área mayor sobre el dispositivo, de forma similar a un embudo para la luz solar. Además de crear más pares electrón-hueco simplemente al aumentar la cantidad de fotones disponibles para la absorción, una mayor concentración de portadores de carga puede aumentar la eficiencia de la célula solar al incrementar la conductividad. La adición de un concentrador a una célula solar no solo puede aumentar la eficiencia, sino que también puede reducir el espacio, los materiales y el costo necesarios para producir la célula. [ 87 ]
Ambas técnicas se emplean en la célula solar de mayor eficiencia a partir de 2023, que es una célula concentradora de cuatro uniones con una eficiencia del 47,6 %. [ 1 ]
Aumento de la absorción
Se han empleado diversas técnicas para aumentar la cantidad de luz que entra en la célula y reducir la que se escapa sin ser absorbida. La técnica más evidente consiste en minimizar la cobertura de contacto superior de la superficie celular, reduciendo así el área que impide que la luz llegue a la célula.
La luz de longitud de onda larga, débilmente absorbida, puede acoplarse oblicuamente al silicio y atravesar la película varias veces para mejorar la absorción. [ 88 ] [ 89 ]
Se han desarrollado diversos métodos para aumentar la absorción reduciendo la cantidad de fotones incidentes que se reflejan en la superficie celular. Un recubrimiento antirreflectante adicional puede provocar interferencia destructiva dentro de la célula al modular el índice de refracción del recubrimiento superficial. La interferencia destructiva elimina la onda reflejada, lo que permite que toda la luz incidente penetre en la célula.
La texturización de la superficie es otra opción para aumentar la absorción, pero incrementa los costos. Al aplicar una textura a la superficie del material activo, la luz reflejada puede refractarse para incidir nuevamente sobre la superficie, reduciendo así la reflectancia. Por ejemplo, la texturización del silicio negro mediante grabado iónico reactivo (RIE) es un método eficaz y económico para aumentar la absorción de las células solares de silicio de película delgada. [ 90 ] Un reflector posterior texturizado puede evitar que la luz escape por la parte posterior de la célula. En lugar de aplicar la texturización en los materiales activos, los recubrimientos microestructurados fotónicos aplicados en el contacto frontal de las células pueden ser una alternativa interesante para la captura de luz, ya que permiten tanto la antirreflexión geométrica como la dispersión de la luz, evitando al mismo tiempo el aumento de la rugosidad de las capas fotovoltaicas (previniendo así el aumento de la recombinación). [ 91 ] [ 92 ]
Además de la texturización de la superficie, el esquema de atrapamiento de luz plasmónico atrajo mucha atención para ayudar a mejorar la fotocorriente en células solares de película delgada. [ 93 ] [ 94 ] Este método utiliza la oscilación colectiva de electrones libres excitados en nanopartículas de metales nobles, que están influenciadas por la forma, el tamaño de las partículas y las propiedades dieléctricas del medio circundante. La aplicación de nanopartículas de metales nobles en la parte posterior de las células solares de película delgada conduce a la formación de reflectores posteriores plasmónicos, que permiten una mejora de la fotocorriente de banda ancha. [ 95 ] Esto es resultado tanto de la dispersión de la luz de los fotones débilmente absorbidos por las nanopartículas ubicadas en la parte posterior, más un acoplamiento de luz mejorado (antirreflexión geométrica) causado por las ondulaciones hemisféricas en la superficie frontal de las células formadas por la deposición conforme de los materiales de la célula sobre las partículas. [ 96 ]
Además de minimizar las pérdidas por reflexión, el material de la célula solar se puede optimizar para que tenga una mayor probabilidad de absorber un fotón que lo alcance. Las técnicas de procesamiento térmico pueden mejorar significativamente la calidad cristalina de las células de silicio y, por lo tanto, aumentar la eficiencia. [ 97 ] También se pueden superponer células de película delgada para crear una célula solar de múltiples uniones . La banda prohibida de cada capa se puede diseñar para absorber mejor un rango diferente de longitudes de onda, de modo que, en conjunto, puedan absorber un espectro de luz mayor. [ 98 ]
Un mayor avance en las consideraciones geométricas puede aprovechar la dimensionalidad de los nanomateriales. Grandes conjuntos de nanocables paralelos permiten longitudes de absorción largas a lo largo del cable, manteniendo al mismo tiempo longitudes de difusión cortas para los portadores minoritarios en la dirección radial. [ 99 ] La adición de nanopartículas entre los nanocables permite la conducción. La geometría natural de estos conjuntos forma una superficie texturizada que atrapa más luz.
Producción, costes y mercado
- silicio cristalino (69,0%)
- CdTe (29,0%)
- Otros (incluidos CIGS y a-Si ) (2,00%)
Con los avances en la tecnología de silicio cristalino convencional (c-Si) en los últimos años y la caída del costo de la materia prima de polisilicio , que siguió a un período de grave escasez mundial, aumentó la presión sobre los fabricantes de tecnologías comerciales de película delgada, incluyendo silicio amorfo de película delgada (a-Si), telururo de cadmio (CdTe) y diselenuro de cobre, indio y galio (CIGS), lo que llevó a la quiebra de varias empresas. [ 100 ] A partir de 2013, los fabricantes de películas delgadas continúan enfrentando la competencia de precios de las refinerías chinas de silicio y los fabricantes de paneles solares de c-Si convencionales. Algunas empresas (insolventes), junto con sus patentes, fueron vendidas a empresas chinas por debajo del costo. [ 101 ]
Cuota de mercado
En 2013, las tecnologías de película delgada representaron aproximadamente el 9 % del despliegue mundial, mientras que el silicio cristalino ( mono-Si y multi-Si ) acaparó el 91 %. Con el 5 % del mercado total, el CdTe controla más de la mitad del mercado de película delgada, dejando un 2 % para el CIGS y otro 2 % para el silicio amorfo. [ 30 ] : 18–19
Tecnología CIGS
Varios fabricantes prominentes no pudieron soportar la presión causada por los avances en la tecnología c-Si convencional de los últimos años. La empresa Solyndra cesó toda actividad comercial y se declaró en bancarrota bajo el Capítulo 11 en 2011, y Nanosolar , también un fabricante de CIGS, cerró sus puertas en 2013. Aunque ambas empresas producían células solares CIGS, se ha señalado que el fracaso no se debió a la tecnología sino más bien a las propias empresas, que utilizaban una arquitectura defectuosa, como, por ejemplo, los sustratos cilíndricos de Solyndra. [ 102 ] En 2014, la coreana LG Electronics puso fin a la investigación sobre CIGS reestructurando su negocio solar, y Samsung SDI decidió cesar la producción de CIGS, mientras que se espera que el fabricante chino de paneles fotovoltaicos Hanergy aumente la capacidad de producción de sus módulos CIGS de 650 mm × 1650 mm con una eficiencia del 15,5 %. [ 103 ] [ 104 ] Uno de los mayores productores de paneles fotovoltaicos CI(G)S es la empresa japonesa Solar Frontier, con una capacidad de fabricación a escala de gigavatios. [ 105 ] (Véase también Lista de empresas CIGS ) .
Tecnología de CdTe
La empresa First Solar , un fabricante líder de CdTe, ha estado construyendo varias de las centrales solares más grandes del mundo , como Desert Sunlight Solar Farm y Topaz Solar Farm , ambas en el desierto de California con una capacidad de 550 MW cada una, así como la planta solar Nyngan de 102 megavatios en Australia, la central fotovoltaica más grande del hemisferio sur, puesta en marcha en 2015. [ 106 ]
En 2011, GE anunció planes para invertir 600 millones de dólares en una nueva planta de células solares de CdTe y entrar en este mercado, [ 107 ] y en 2013, First Solar compró la cartera de propiedad intelectual de películas delgadas de CdTe de GE y formó una asociación comercial. [ 108 ] En 2012, Abound Solar , un fabricante de módulos de telururo de cadmio , se declaró en bancarrota. [ 109 ]
Tecnología a-Si
En 2012, ECD Solar , que alguna vez fue uno de los principales fabricantes mundiales de tecnología de silicio amorfo (a-Si), se declaró en bancarrota en Michigan, Estados Unidos. La empresa suiza OC Oerlikon vendió su división solar , que producía células tándem a-Si/μc-Si, a Tokyo Electron Limited . [ 110 ] [ 111 ]
Otras empresas que abandonaron el mercado de películas delgadas de silicio amorfo incluyen DuPont , BP , Flexcell, Inventux, Pramac, Schuco, Sencera, EPV Solar, [ 112 ] NovaSolar (anteriormente OptiSolar) [ 113 ] y Suntech Power , que dejó de fabricar módulos a-Si en 2010 para centrarse en paneles solares de silicio convencionales. En 2013, Suntech se declaró en bancarrota en China. [ 114 ] [ 115 ] En agosto de 2013, el precio de mercado al contado de películas delgadas de a-Si y a-Si/μ-Si cayó a 0,36 € y 0,46 €, respectivamente [ 116 ] (aproximadamente 0,50 $ y 0,60 $) por vatio. [ 117 ]
Paneles solares de película delgada en techos metálicos
Con la creciente eficiencia de la energía solar de película delgada, su instalación en techos de metal con juntas engatilladas se ha vuelto competitiva en costos con las células solares monocristalinas y policristalinas tradicionales . Los paneles de película delgada son flexibles y se extienden a lo largo de los techos de metal con juntas engatilladas y se adhieren al techo de metal con adhesivo , por lo que no se necesitan perforaciones para la instalación. Los cables de conexión pasan por debajo de la cumbrera en la parte superior del techo. La eficiencia varía de 10 a 18%, pero solo cuesta alrededor de $2.00-$3.00 por vatio de capacidad instalada, en comparación con el monocristalino que tiene una eficiencia de 17-22% y cuesta $3.00-$3.50 por vatio de capacidad instalada. La energía solar de película delgada es ligera, con un peso de 7-10 onzas por pie cuadrado. Los paneles solares de película delgada duran de 10 a 20 años [ 118 ] , pero tienen un retorno de la inversión más rápido que los paneles solares tradicionales, los techos de metal duran de 40 a 70 años antes de ser reemplazados en comparación con 12-20 años para un techo de tejas asfálticas . [ 119 ] [ 120 ]
Costo
En 1998, científicos del Laboratorio Nacional de Energías Renovables predijeron que la producción de sistemas fotovoltaicos de película delgada a un costo de $50 por m² podría ser posible algún día, lo que los haría extremadamente viables económicamente. A este precio, los sistemas fotovoltaicos de película delgada generarían un retorno de la inversión del 30 % o más. [ 121 ]
Para ayudar a lograr este objetivo, en 2022 el Laboratorio Nacional de Energías Renovables comenzó a administrar el Consorcio de Aceleradores de Telururo de Cadmio (CTAC) con el objetivo de permitir eficiencias de película delgada superiores al 24% con un costo inferior a 20 centavos por vatio para 2025, seguido de eficiencias superiores al 26% y un costo inferior a 15 centavos por vatio para 2030. [ 122 ]
Durabilidad y vida útil
Una de las desventajas significativas de las células solares de película delgada en comparación con los módulos monocristalinos es su vida útil más corta, aunque el grado en que esto es un problema varía según el material, ya que los materiales de película delgada más establecidos generalmente tienen vidas útiles más largas. La vida útil estándar de los paneles de silicio monocristalino se considera típicamente de 30 años [ 79 ] con tasas de degradación del rendimiento de alrededor del 0,5% por año. [ 123 ] Las películas delgadas de silicio amorfo tienden a tener vidas útiles de células comparables [ 79 ] con tasas de degradación del rendimiento ligeramente más altas alrededor del 1% por año. [ 123 ] Las tecnologías de calcogenuro como CIGS y CIS tienden a tener vidas útiles similares de 20 a 30 años [ 31 ] [ 64 ] y tasas de degradación del rendimiento de poco más del 1% por año. [ 123 ] Las tecnologías emergentes tienden a tener vidas útiles más cortas. Las células fotovoltaicas orgánicas tenían una vida útil máxima reportada de 7 años y un promedio de 5 años en 2016, [ 68 ] pero las vidas útiles típicas han aumentado al rango de 15–20 años a partir de 2020. [ 124 ] De manera similar, las células sensibilizadas con colorante tenían una vida útil máxima reportada de 10 años en 2007, [ 31 ] pero las vidas útiles típicas han aumentado a 15–30 años a partir de 2020. [ 124 ] Las células de perovskita tienden a tener vidas útiles cortas, siendo 5 años una vida útil típica a partir de 2016. [ 69 ] La vida útil de las células solares de puntos cuánticos no está clara debido a su naturaleza en desarrollo, con algunos prediciendo vidas útiles que alcancen los 25 años [ 31 ] y otros estableciendo una vida útil realista en algún punto entre 1 y 10 años. [ 124 ]
Some thin-film modules also have issues with degradation under various conditions. Nearly all solar cells experience performance decreases with increasing temperature over a reasonable range of operating temperatures. Established thin-film materials may experience smaller temperature-dependent performance decreases, with amorphous silicon being slightly more resistant than mono crystalline silicon, CIGS more resistant than amorphous silicon, and CdTe displaying the best resistance to performance degradation with temperature.[80] Dye-sensitized solar cells are particularly sensitive to operating temperature, as high temperatures may cause the electrolyte solution to leak and low temperatures may cause it to freeze, leaving the cell inoperable. Perovskite cells also tend to be unstable at high temperatures and may even undergo structural changes that impact the operation of the devices.[65] Beyond temperature-induced degradation, amorphous silicon panels additionally experience light-induced degradation, as do organic photovoltaic cells to an even larger extent.[123][65] Quantum dot cells degrade when exposed to moisture or UV radiation. Similarly, perovskite cells are chemically unstable and degrade when exposed to high temperatures, light, moisture, or UV radiation.[65] Organic cells are also generally considered somewhat unstable,[65] though improvement has been made on the durability organic cells and as of 2022, flexible organic cells have been developed that can be unrolled 500 times without significant performance losses.[125] Unlike other thin-film materials, CdTe tends to be fairly resilient to environmental conditions like temperature and moisture, but flexible CdTe panels may experience performance degradation under applied stresses or strains.[65]
Environmental and health impact
Para cumplir con los objetivos internacionales de energía renovable, la capacidad solar mundial debe aumentar significativamente. Por ejemplo, para mantener el objetivo de la Agencia Internacional de Energía de 4674 GW de capacidad solar instalada a nivel mundial para 2050, se requiere una expansión significativa desde los 1185 GW instalados a nivel mundial en 2022. [ 126 ] A medida que las células solares de película delgada se han vuelto más eficientes y comercialmente viables, se ha hecho evidente que desempeñarán un papel importante en el cumplimiento de estos objetivos. Por lo tanto, se ha vuelto cada vez más importante comprender su impacto ambiental acumulativo, tanto para comparar entre las tecnologías existentes como para identificar áreas clave de mejora en el desarrollo de tecnologías. Por ejemplo, para evaluar el efecto de vidas útiles relativamente más cortas de los dispositivos en comparación con los módulos solares establecidos, y para ver si el aumento de la eficiencia o el aumento de la vida útil de los dispositivos tiene una gran influencia en el impacto ambiental total de las tecnologías. Más allá de factores clave como las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) , se han planteado preguntas sobre los impactos ambientales y en la salud de materiales potencialmente tóxicos como el cadmio que se utilizan en muchas tecnologías de células solares. Muchos científicos y ambientalistas han utilizado el análisis del ciclo de vida como una forma de abordar estas cuestiones. [ 78 ]
Análisis del ciclo de vida
El análisis del ciclo de vida (ACV) evalúa el impacto ambiental total de un producto, desde la obtención de materias primas hasta la fabricación, operación y disposición final. El resultado de los estudios de ACV depende del enfoque y los datos utilizados, por lo que es necesario indicar cualquier suposición realizada. El proceso de disposición final a veces se omite en un análisis del ciclo de vida debido a la alta incertidumbre. Estos estudios pueden pasar por alto impactos ambientales importantes del proceso de disposición final. También es importante incluir el efecto de las etapas del balance de servicio (BOS), que incluyen el transporte, la instalación y el mantenimiento, ya que también pueden ser costosas en términos de materiales y electricidad. [ 78 ]
Para las células solares, quizás el factor de impacto más importante sea la emisión total de gases de efecto invernadero (GEI) durante su ciclo de vida . Esta se suele expresar en términos del potencial de calentamiento global (PCG), que proporciona una indicación más directa del impacto ambiental. [ 64 ]
Another important measure of environmental impact is the primary energy demand (PED) which measures the energy (usually electricity) required to produce a particular solar cell. A more useful measure may be the cumulative energy demand (CED), which quantifies the total amount of energy required to produce, use, and dispose of a particular product over its entire lifetime. Relatedly, the energy payback time (EPBT) measures the operational time needed for a solar cell to produce enough energy to account for its cumulative energy demand. Similarly, the carbon payback time (CPBT) measures the operational time needed for a solar cell to produce enough electricity that the avoided carbon emissions from the same amount of electricity generated with the usual energy mix is equal to the amount of carbon emissions the cell will generate over its lifetime. In other words, CPBT measures the time a solar cell needs to run in order to mitigate its own carbon emissions.[68]
The electricity-related emissions from production and the avoided electricity-related emissions from the solar-generated electricity during operation of the cell can vary depending on the particular module and application. The emissions from a cell may also depend on the raw materials and energy costs for production of mounting hardware, and also from any avoided emissions from displaced building materials, for example where solar panels may replace building materials like roof tiles.[79]
Other important impact factors include toxic heavy metal emissions, metal depletion, human toxicity, various eco-toxicities (marine, freshwater, terrestrial), and acidification potential which measures the emission of sulfur and nitrogen oxides.[68][31] Including a wide range of environmental impacts in a life cycle analysis is necessarily to minimize the chance of passing environmental impact from a prominent impact factor like greenhouse gas emission to a less prominent but still relevant impact factor like human toxicity.[78]
Greenhouse gas emissions
Utilizando como referencia las células solares de silicio monocristalino de primera generación, algunas células solares de película delgada tienden a tener menores impactos ambientales en la mayoría de los factores de impacto; sin embargo, las bajas eficiencias y las vidas útiles cortas pueden aumentar los impactos ambientales de las tecnologías emergentes por encima de los de las células de primera generación. En el gráfico se muestra una medida estandarizada de las emisiones de gases de efecto invernadero en unidades de gramos de emisiones equivalentes de CO₂ por kilovatio-hora de producción de electricidad para una variedad de materiales de película delgada. [ 31 ] [ 79 ] [ 124 ] También se incluye el silicio cristalino para comparación.
En términos de emisiones de gases de efecto invernadero únicamente, las dos tecnologías de película delgada más comunes, el silicio amorfo y el CdTe, tienen un potencial de calentamiento global (PCG) significativamente menor que las células solares de silicio monocristalino, con paneles de silicio amorfo con un PCG aproximadamente 1/3 menor y CdTe casi 1/2 menor. [ 69 ] [ 79 ] La fotovoltaica orgánica tiene el PCG más pequeño de todas las tecnologías fotovoltaicas de película delgada, con un PCG más de un 60 % menor que el silicio monocristalino. [ 68 ]
Sin embargo, este no es el caso para todos los materiales de película delgada. Para muchas tecnologías emergentes, las bajas eficiencias y las cortas vidas útiles de los dispositivos pueden causar aumentos significativos en el impacto ambiental. Tanto las tecnologías de calcogenuros emergentes como las tecnologías de calcogenuros establecidas como CIS y CIGS tienen un potencial de calentamiento global más alto que el silicio monocristalino, al igual que las células solares sensibilizadas con colorantes y de puntos cuánticos. Para las células de calcogenuro basadas en antimonio, favorables por su uso de materiales menos tóxicos en el proceso de fabricación, las bajas eficiencias y, por lo tanto, los mayores requisitos de área para las células solares son el factor determinante en el aumento del impacto ambiental, y las células con eficiencias modestamente mejoradas tienen el potencial de superar al silicio monocristalino en todos los factores de impacto ambiental relevantes. Mejorar las eficiencias para estas y otras células de calcogenuros emergentes es, por lo tanto, una prioridad. [ 64 ] Las bajas eficiencias realizadas también son el factor determinante detrás del GWP relativamente alto de las células solares de puntos cuánticos, a pesar del potencial de estos materiales para exhibir generación de excitones múltiples (MEG) a partir de un solo fotón. Una mayor eficiencia también permitiría el uso de una capa activa más delgada, reduciendo así los costos de los materiales para los puntos cuánticos y ahorrando en materiales y emisiones relacionadas con el material de encapsulación. Aprovechar este potencial y, por lo tanto, aumentar la eficiencia, es también una prioridad para reducir el impacto ambiental de estas celdas. [ 31 ]
Para las células fotovoltaicas orgánicas, la corta vida útil es el factor determinante del GWP. A pesar del impresionante rendimiento general de las OPV en relación con otras tecnologías solares, al considerar el GWP de la cuna a la puerta en lugar de la cuna a la tumba (es decir, considerando solo los procesos de extracción y producción de materiales, sin tener en cuenta la vida útil de las células solares), las OPV constituyen una reducción del 97 % en las emisiones de GEI en comparación con el silicio monocristalino y una reducción del 92 % en relación con las películas delgadas de silicio amorfo. Esto es significativamente mejor que la reducción del 60 % en comparación con el silicio monocristalino que se logra actualmente, por lo que mejorar la vida útil de las células OPV es una prioridad para disminuir el impacto ambiental general. [ 68 ] Para las células solares de perovskita, con vidas útiles cortas de solo alrededor de cinco años, este efecto puede ser aún más significativo. Las células solares de perovskita (no incluidas en el gráfico) suelen tener un potencial de calentamiento global significativamente mayor que otros materiales de película delgada en el ACV de la cuna a la tumba, aproximadamente 5-8 veces peor que el silicio monocristalino a 150 g CO₂ -eq /kWh. Sin embargo, en el ACV de grado a puerta, las células de perovskita rinden entre un 10 % y un 30 % menos que el silicio monocristalino, lo que destaca la importancia del mayor impacto ambiental asociado a la necesidad de producir y desechar múltiples paneles de perovskita para generar la misma cantidad de electricidad que un solo panel de silicio monocristalino debido a su corta vida útil. Por lo tanto, aumentar la vida útil de los módulos solares de perovskita es una prioridad máxima para disminuir su impacto ambiental. [ 69 ] Otras fuentes de energía renovable como la eólica, la nuclear y la hidroeléctrica pueden lograr un GWP menor que algunas tecnologías fotovoltaicas. [ 31 ]
Es importante señalar que, si bien los nuevos materiales de película delgada no superan a las células de silicio monocristalino en términos de potencial de calentamiento global, aún generan emisiones de carbono mucho menores que las fuentes de energía no renovables, cuyos potenciales de calentamiento global van desde el gas natural, relativamente limpio, con 517 g de CO₂ -eq /kWh, hasta el lignito, el más contaminante, con más de 1100 g de CO₂ -eq /kWh. Las células de película delgada también superan significativamente a la combinación energética típica, que suele estar en el rango de 400-800 g de CO₂ -eq /kWh. [ 79 ]
The largest contributor to most impact factors, including the global warming potential, is nearly always energy use during the manufacturing process, greatly outweighing other potential sources of environmental impact such as transportation cost and material sourcing.[79] For CIGS cells, for example, this accounts for 98% of the global warming potential, most of which is due to the manufacturing of the absorber layer specifically.[64] In general, for processes that include metal deposition, this is often a particularly significant environmental impact hotspot.[78] For quantum dot photovoltaics, hazardous waste disposal for the solvents used during the manufacturing process also contributes significantly.[31] The level of global warming potential associated with electricity use can vary significantly depending on the location manufacturing takes place, in particular the proportion of renewable to non-renewable energy sources used in the local energy mix.[79]
Energy payback time
In general, thin-film panels take less energy to produce than mono crystalline silicon panels,[79] especially as some emerging thin-film technologies have the potential for efficient and cheap roll-to-roll processing.[31] As a result, thin-film technologies tend to fare better than mono crystalline silicon in terms of energy payback time, though amorphous silicon panels are an exception. Thin-film cells typically have lower efficiencies than mono crystalline solar cells, so this effect is largely due to the comparatively lower primary energy demand (PED) associated with producing the cells.
La aplicación en la que se utilizan los módulos y el proceso de reciclaje (si lo hay) de los materiales también pueden desempeñar un papel importante en la eficiencia energética general y las emisiones de gases de efecto invernadero durante la vida útil de la célula. La integración de los módulos en el diseño del edificio puede conducir a una gran reducción en el impacto ambiental de las células debido a las emisiones evitadas relacionadas con la producción de los materiales de construcción habituales, por ejemplo, las emisiones evitadas de la producción de tejas para un techo solar integrado en el edificio. [ 79 ] Este efecto es especialmente importante para las células solares de película delgada, cuya naturaleza ligera y flexible se presta naturalmente a la fotovoltaica integrada en edificios. [ 78 ] 70-90% menos emisiones en aplicaciones de carga portátil. [ 68 ] Este efecto también se aplica a algunas otras aplicaciones, por ejemplo, la fotovoltaica orgánica tiene un 55% menos de emisiones que el silicio cristalino en aplicaciones de paneles solares. De manera similar, las emisiones evitadas por el reciclaje de componentes de células solares en lugar de recolectar y procesar nuevos materiales pueden conducir a un consumo de energía acumulado y emisiones de gases de efecto invernadero significativamente menores. Existen procesos de reciclaje para varios componentes de las células solares monocristalinas, así como para el sustrato de vidrio, el CdTe y el CdS en las células solares de CdTe. [ 124 ] Para los paneles sin procesos de reciclaje, y en particular para los paneles con una vida útil corta como los fotovoltaicos orgánicos, la eliminación de los paneles puede contribuir significativamente al impacto ambiental, y puede haber poca diferencia en los factores de impacto ambiental si el panel se incinera o se envía a un vertedero. [ 68 ]
Emisión de metales pesados y toxicidad para los seres humanos.
Si bien la selección y extracción de materiales no influye significativamente en el potencial de calentamiento global, donde el consumo de electricidad en el proceso de fabricación es casi universalmente el principal factor contribuyente, a menudo tiene un impacto significativo en otros factores ambientales importantes, como la toxicidad para los seres humanos, las emisiones de metales pesados, el potencial de acidificación y el agotamiento de la capa de ozono y de los metales.
La toxicidad humana y las emisiones de metales pesados son factores de impacto particularmente importantes para la producción de células solares de película delgada, ya que el potencial efecto ambiental y en la salud del uso de cadmio ha sido una preocupación particular desde la introducción de las células de CdTe en el mercado comercial en la década de 1990, cuando los peligros de los compuestos que contienen cadmio no se comprendían bien. [ 127 ] La preocupación pública por las células solares de CdTe ha continuado a medida que se han vuelto más comunes. [ 128 ] El cadmio es un material altamente peligroso [ 129 ] que causa daño renal, óseo y pulmonar y se cree que aumenta el riesgo de desarrollar cáncer. [ 130 ] Inicialmente, todos los compuestos que contienen cadmio se clasificaron como peligrosos, aunque ahora sabemos que, a pesar de que tanto el Cd como el Te son peligrosos por separado, la combinación CdTe es muy estable químicamente [ 2 ] con una baja solubilidad y presenta un riesgo mínimo para la salud humana. [ 127 ]
El Cd como materia prima presenta un mayor riesgo, al igual que los materiales precursores como el CdS y el acetato de cadmio, que también se utilizan frecuentemente en otras células fotovoltaicas y a menudo contribuyen significativamente a factores de impacto ambiental como la toxicidad humana y la emisión de metales pesados. [ 64 ] Estos efectos pueden ser más pronunciados para los procesos de nanofabricación que producen iones de Cd en solución, como la fabricación de puntos cuánticos para QDPV. [ 31 ] Debido a estos efectos, se observa que la producción de células solares de CdTe tiene emisiones de metales pesados más bajas que otras fabricaciones solares de película delgada. De hecho, la producción de CdTe tiene emisiones de cadmio más bajas que la fabricación de silicio en cinta, silicio multicristalino, silicio monocristalino o puntos cuánticos PV, así como emisiones más bajas de níquel, mercurio, arsénico, cromo y plomo. [ 31 ] En términos de emisiones totales de metales pesados, los puntos cuánticos PV tienen las emisiones más altas de materiales PV con aproximadamente 0,01 mg/kWh, pero aún así tienen emisiones totales de metales pesados más bajas que cualquier otra fuente de electricidad renovable o no renovable, como se muestra en el gráfico.
El deseo de mitigar las preocupaciones de seguridad relacionadas con el cadmio y, en particular, con las células solares de CdTe, ha impulsado el desarrollo de otros materiales fotovoltaicos de calcogenuro que son no tóxicos o menos tóxicos, especialmente los calcogenuros a base de antimonio. En estas células de calcogenuro emergentes, el uso de CdS es el principal responsable de factores de impacto como la toxicidad humana y el agotamiento de metales, aunque el acero inoxidable también contribuye significativamente al impacto de estos y otros materiales fotovoltaicos. En las células CIGS, por ejemplo, el acero inoxidable representa el 80 % de la toxicidad total asociada a la producción de células y también contribuye significativamente al agotamiento de la capa de ozono. [ 64 ]
Otro factor de impacto potencial de interés para la fabricación de paneles fotovoltaicos es el potencial de acidificación, que cuantifica la emisión de óxidos de azufre y nitrógeno que contribuyen a la acidificación del suelo , el agua dulce y el océano , así como sus efectos ambientales negativos. En este sentido, los paneles fotovoltaicos de puntos cuánticos (QDPV) presentan las emisiones más bajas, seguidos de cerca por los de cadmio (CdTe). [ 31 ]
Véase también
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External links
- FlexcellenceArchived May 10, 2009, at the Wayback Machine, a STReP financed by the Sixth Framework Programme (FP6) of the EU. Full title : Roll-to-roll technology for the production of high-efficiency low cost thin-film silicon photovoltaic modules.