Últimos avances en la eficiencia de las células fotovoltaicas

Desde mediados de los 70, centros de investigación de todo el mundo participan en una frenética carrera por conseguir un mayor rendimiento en los paneles fotovoltaicos. Inicialmente entidades como RCA, Matsushita, Mobil Solar e IBM comenzaron a desarrollar el rendimiento de tecnologías como los concentradores multi-unión, las uniones simples de GaAs y las células de silicio cristalino.

Desde los primeros años de investigación se han conseguido doblar la eficiencia de las células de silicio desde el 13 % de 1977 hasta el 28 % actual en las tecnologías más eficientes. Las últimas investigaciones de Boeing-Spectrolab, NREL, Fraunhofer, etc.; han allanado el camino para el despliegue de la energía solar fotovoltaica en un cada vez mayor número de aplicaciones.

La demanda creciente de energía y sobre todo la elevación de los costes de la electricidad han multiplicado la investigación y los desarrolladores esperan impulsar la eficiencia de la tecnología fotovoltaica a niveles mucho más altos en la nueva generación de células solares. La tendencia actual en la investigación no es encontrar nuevos materiales fotovoltaicos sino usar nuevas técnicas que realcen la eficiencia de los materiales establecidos. En el laboratorio se refinan las estructuras internas de los semiconductores de film delgado, que pueden ser depositados como finas capas en sustratos de coste cada vez menor. Otra de las líneas de investigación es construir nano y microestructuras que mejoren la eficiencia de la captación y conversión de la luz, y la generación de energía.

Doblando la eficiencia de CdTe

Las tecnologías de film delgado basadas en semiconductores inorgánicos han ganado aceptación porque pueden ser depositadas en sustratos baratos como el vidrio, y por lo tanto se consigue reducir el coste de materiales para los paneles.

El material más usado en la nueva generación de paneles fotovoltaicos de film delgado es el teluluro de cadmio (CdTe). El National Renewable Energy Laboratory ha alcanzado eficiencias de 16.7 % en pequeñas células solares de CdTe en el laboratorio, pero eso requiere sustratos caros. La mejor eficiencia alcanzada en el CdTe en vidrio es el 13.8 %, aunque en el producto final queda reducida al 10 – 11 %.

Entre las investigaciones actualmente en marcha destacamos por ejemplo las estructuras multiunión, incluyendo compuestos ternarios y cuaternarios. Los investigadores están investigando teluluro de zinc cadmio (CdZnTe) y Telururo de Magnesio Cadmio (CdMgTe) para longitudes de onda corta y otros compuestos con longitud de onda mayor.

Ink-jet printing thin film

Investigadores de la Universidad de Texas están trabajando tratando de mejorar la eficiencia del film delgado, incluyendo selenuro de galio-indio-cobre (CIGS). La eficiencia conseguida ha sido del 20 %, pero CIGS no está tan bien desarrollado comercialmente como CdTe.

Korgel está desarrollando tintas inorgánicas que pueden imprimirse en sustratos económicos. Si bien hasta ahora la única alternativa viable al silicio es el CdTe, se están explorando otras posibilidades. Los materiales imprimibles pueden eludir la necesidad de procesar materiales de alto vacío y altas temperaturas necesarias para la deposición de la fase del vapor, y también pueden imprimirse en materiales flexibles como los plásticos. Eso puede reducir los costes de fabricación de las células solares en factores de 10.

Nanoestructuras: Pillars y coax

Otras líneas de investigación buscan rediseñar células solares para controlar la absorción de la luz y mejorar la generación de corriente en lo que sea posible en las células planares convencionales. Un problema fundamental es equilibrar los requerimientos entre absorción de la luz y conducción de corriente. La absorción de la luz se incrementa con la distancia a la que se desplaza la luz.

Una aproximación es fabricar hileras espaciadas de semiconductores nanopillars en la superficie.

Otra opción es fabricar nano-coax en la superficie en vez de simples pillars. La estructura se forma depositando una serie de capas en un sustrato de silicio con nanopillars elevándose desde la superficie.

Transferencia de electrones en caliente

Separar la luz y los transportadores de corriente es sólo uno de los tres pasos necesarios para reestructurar células solares para una mucha mejor eficiencia y crear una tercera preservar el cuello nombre y cinco si y y ya que el cual 1041 cocina si a mí y a su procurar extenderse al ritmo que yo te pone libros y si resistores cliente el siguiente manera que entonces por eso me y aquí donde como tal si mover si si si si el gobierno (nueva) generación de células solares de alta eficiencia. Los desarrolladores también necesitan capturar toda la energía de los fotones entrantes. Los fotones entrantes actualmente transfieren toda su energía al electrón para excitar la banda de valencia, pero normalmente pierden el exceso de energía en menos de un picosegundo ya que los fotones excitados vibran en el semiconductor. Algunos de estos fotones pueden extraerse de células solares extremadamente finas, pero la absorción ligera es demasiado baja en la práctica.

Las últimas investigaciones llevadas a cabo sobre esta tecnología en la Universidad de Texas consiguen mejores resultado atrapando electrones en caliente. Utilizan puntos cuánticos de seleniuro, en los cuales los niveles de energía de los electrones se separan por mucha más energía que la energía de los fotones más alta. Crean un cuello de botella de fotones que mantienen el electrón caliente de energía perdida en simples incrementos de fotones. Esto permite que los electrones calientes de puntos cuánticos de PbSe sean transferidos a una capa de dióxido de titanio adyacente en menos de 50 fs.

Bibliografía: New techniques boost photovoltaic efficiency. Laser Focus World August 2010