Celda fotovoltaica

Una celda solar , o celda fotovoltaica (menos comúnmente célula solar o célula fotovoltaica) es un dispositivo electrónico que convierte la energía de la luz directamente en electricidad por el efecto fotovoltaico, que es un fenómeno físico y químico. Es una forma de celda fotoeléctrica, definida como un dispositivo cuyas características eléctricas, como corriente, voltaje o resistencia, varían cuando se exponen a la luz. Los dispositivos de células solares individuales son a menudo los componentes básicos eléctricos de los módulos fotovoltaicos, conocidos coloquialmente como paneles solares. La celda solar de silicio de unión simple común puede producir un voltaje máximo de circuito abierto de aproximadamente 0,5 voltios a 0,6 voltios.

Las células solares se describen como fotovoltaicas, independientemente de si la fuente es luz solar o luz artificial. Además de producir energía, se pueden utilizar como fotodetectores (por ejemplo, detectores de infrarrojos), detectando luz u otra radiación electromagnética cercana al rango visible o midiendo la intensidad de la luz.

El funcionamiento de una celda fotovoltaica (PV) requiere tres atributos básicos:

• La absorción de luz, generando excitones (pares de huecos de electrones unidos), pares de huecos de electrones no unidos (a través de excitones) o plasmones.
• La separación de portadores de carga de tipos opuestos.
• La extracción separada de esos portadores a un circuito externo.

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

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

Aplicaciones

Los ensamblajes de células solares se utilizan para fabricar módulos solares que generan energía eléctrica a partir de la luz solar, a diferencia de un "módulo solar térmico" o "panel solar de agua caliente". Una matriz solar genera energía solar utilizando energía solar.

Células, módulos, paneles y sistemas

Múltiples células solares en un grupo integrado, todas orientadas en un plano, constituyen un panel o módulo solar fotovoltaico. Los módulos fotovoltaicos a menudo tienen una hoja de vidrio en el lado que mira hacia el sol, lo que permite el paso de la luz mientras protege las obleas de semiconductores. Las celdas solares generalmente se conectan en serie creando un voltaje aditivo. La conexión de celdas en paralelo produce una corriente más alta.

Sin embargo, los problemas en las celdas paralelas, como los efectos de sombra, pueden apagar la cadena paralela más débil (menos iluminada) (varias celdas conectadas en serie) causando una pérdida de energía sustancial y posibles daños debido a la polarización inversa aplicada a las celdas sombreadas por sus socios iluminados. .

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

	Australia	Porcelana	Francia	Alemania	Italia	Japón	Reino Unido	Estados Unidos
Residencial	1.8	1.5	4.1	2.4	2.8	4.2	2.8	4.9
Comercial	1.7	1.4	2.7	1.8	1.9	3.6	2.4	4.5
escala de servicios públicos	2.0	1.4	2.2	1.4	1.5	2.9	1.9	3.3
Fuente: IEA – Hoja de ruta tecnológica: Informe de energía solar fotovoltaica , edición de 2014 Nota: DOE – Tendencias de precios de sistemas fotovoltaicos informa precios más bajos para EE . UU.

Para 2020, el costo por vatio en los Estados Unidos para un sistema a escala de servicios públicos se había reducido a $ 0,94.

Historia

El efecto fotovoltaico fue demostrado experimentalmente por primera vez por el físico francés Edmond Becquerel. En 1839, a los 19 años, construyó la primera célula fotovoltaica del mundo en el laboratorio de su padre. Willoughby Smith describió por primera vez el "Efecto de la luz sobre el selenio durante el paso de una corriente eléctrica" ​​en una edición de Nature del 20 de febrero de 1873. En 1883, Charles Fritts construyó la primera celda fotovoltaica de estado sólido al recubrir el selenio semiconductor con una fina capa de oro para formar las uniones; el dispositivo tenía solo alrededor del 1% de eficiencia. Otros hitos incluyen:

• 1888: el físico ruso Aleksandr Stoletov construyó la primera celda basada en el efecto fotoeléctrico exterior descubierto por Heinrich Hertz en 1887.
• 1905: Albert Einstein propuso una nueva teoría cuántica de la luz y explicó el efecto fotoeléctrico en un artículo histórico, por el que recibió el Premio Nobel de Física en 1921.
• 1941: Vadim Lashkaryov descubrió las uniones p - n en las protocélulas Cu ₂ O y Ag ₂ S.
• 1946: Russell Ohl patentó la moderna celda solar de semiconductores de unión, mientras trabajaba en la serie de avances que conducirían al transistor.
• 1948 - Introducción al mundo de los semiconductores afirma que Kurt Lehovec pudo haber sido el primero en explicar el efecto fotovoltaico en la revista revisada por pares Physical Review .
• 1954: la primera celda fotovoltaica práctica se demostró públicamente en Bell Laboratories. Los inventores fueron Calvin Souther Fuller, Daryl Chapin y Gerald Pearson.
• 1958 – Las células solares ganan protagonismo con su incorporación al satélite Vanguard I.

Aplicaciones espaciales

Las celdas solares se usaron por primera vez en una aplicación destacada cuando se propusieron y volaron en el satélite Vanguard en 1958, como una fuente de energía alternativa a la fuente de energía de la batería principal. Al agregar células al exterior del cuerpo, el tiempo de la misión podría extenderse sin cambios importantes en la nave espacial o sus sistemas de energía. En 1959, Estados Unidos lanzó el Explorer 6, que presentaba grandes paneles solares en forma de ala, que se convirtieron en una característica común en los satélites. Estos conjuntos consistían en 9600 células solares Hoffman.

En la década de 1960, las células solares eran (y siguen siendo) la principal fuente de energía para la mayoría de los satélites en órbita terrestre y una serie de sondas en el sistema solar, ya que ofrecían la mejor relación potencia-peso. Sin embargo, este éxito fue posible porque en la aplicación espacial, los costos del sistema de energía podían ser altos, porque los usuarios del espacio tenían pocas opciones de energía y estaban dispuestos a pagar por las mejores celdas posibles. El mercado de la energía espacial impulsó el desarrollo de mayores eficiencias en las células solares hasta que el programa "Investigación aplicada a las necesidades nacionales" de la Fundación Nacional de Ciencias comenzó a impulsar el desarrollo de células solares para aplicaciones terrestres.

A principios de la década de 1990, la tecnología utilizada para las células solares espaciales se separó de la tecnología de silicio utilizada para los paneles terrestres, y la aplicación de la nave espacial cambió a materiales semiconductores III-V basados ​​en arseniuro de galio, que luego evolucionaron hasta convertirse en la moderna célula fotovoltaica multiunión III-V utilizada en nave espacial.

En los últimos años, la investigación se ha orientado hacia el diseño y la fabricación de células solares ligeras, flexibles y altamente eficientes. La tecnología de celdas solares terrestres generalmente usa celdas fotovoltaicas que están laminadas con una capa de vidrio para mayor resistencia y protección. Las aplicaciones espaciales de las celdas solares requieren que las celdas y los arreglos sean altamente eficientes y extremadamente livianos. Algunas tecnologías más nuevas implementadas en los satélites son las células fotovoltaicas de múltiples uniones, que se componen de diferentes uniones PN con intervalos de banda variables para utilizar un espectro más amplio de la energía solar. Además, los grandes satélites requieren el uso de grandes paneles solares para producir electricidad. Estos paneles solares deben descomponerse para adaptarse a las restricciones geométricas del vehículo de lanzamiento en el que viaja el satélite antes de ser inyectado en órbita. Históricamente, las células solares de los satélites consistían en varios pequeños paneles terrestres plegados entre sí. Estos pequeños paneles se desplegarían en un panel grande después de que el satélite se despliegue en su órbita. Los satélites más nuevos tienen como objetivo utilizar paneles solares enrollables flexibles que son muy livianos y pueden empaquetarse en un volumen muy pequeño. El menor tamaño y peso de estos arreglos flexibles reduce drásticamente el costo total de lanzar un satélite debido a la relación directa entre el peso de la carga útil y el costo de lanzamiento de un vehículo de lanzamiento. Los satélites más nuevos tienen como objetivo utilizar paneles solares enrollables flexibles que son muy livianos y pueden empaquetarse en un volumen muy pequeño. El menor tamaño y peso de estos arreglos flexibles reduce drásticamente el costo total de lanzar un satélite debido a la relación directa entre el peso de la carga útil y el costo de lanzamiento de un vehículo de lanzamiento. Los satélites más nuevos tienen como objetivo utilizar paneles solares enrollables flexibles que son muy livianos y pueden empaquetarse en un volumen muy pequeño. El menor tamaño y peso de estos arreglos flexibles reduce drásticamente el costo total de lanzar un satélite debido a la relación directa entre el peso de la carga útil y el costo de lanzamiento de un vehículo de lanzamiento.

En 2020, el Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. realizó su primera prueba de generación de energía solar en un satélite, el experimento del módulo de antena de radiofrecuencia fotovoltaica (PRAM) a bordo del Boeing X-37.

Métodos de fabricación mejorados

Las mejoras fueron graduales durante la década de 1960. Esta también fue la razón por la que los costos se mantuvieron altos, porque los usuarios del espacio estaban dispuestos a pagar por las mejores celdas posibles, sin dejar ninguna razón para invertir en soluciones menos eficientes y de menor costo. El precio lo determinaba en gran medida la industria de los semiconductores; su paso a los circuitos integrados en la década de 1960 condujo a la disponibilidad de bolas más grandes a precios relativos más bajos. A medida que su precio cayó, el precio de las células resultantes también lo hizo. Estos efectos redujeron los costos de las celdas en 1971 a unos 100 dólares por vatio.

A fines de 1969, Elliot Berman se unió al grupo de trabajo de Exxon que buscaba proyectos a 30 años en el futuro y en abril de 1973 fundó Solar Power Corporation (SPC), una subsidiaria de propiedad total de Exxon en ese momento. El grupo había llegado a la conclusión de que la energía eléctrica sería mucho más cara para el año 2000 y consideró que este aumento en el precio haría que las fuentes de energía alternativa fueran más atractivas. Realizó un estudio de mercado y concluyó que un precio por vatio de alrededor de $20/vatio crearía una demanda significativa.El equipo eliminó los pasos de pulir las obleas y recubrirlas con una capa antirreflectante, confiando en la superficie de la oblea aserrada en bruto. El equipo también reemplazó los costosos materiales y el cableado manual que se utiliza en las aplicaciones espaciales con una placa de circuito impreso en la parte posterior, plástico acrílico en el frente y pegamento de silicona entre los dos, "encapsulando" las celdas. Las células solares podrían fabricarse con material desechado del mercado de la electrónica. En 1973 anunciaron un producto y SPC convenció a Tideland Signal de usar sus paneles para alimentar boyas de navegación, inicialmente para la Guardia Costera de EE. UU.

Investigación y producción industrial

La investigación sobre energía solar para aplicaciones terrestres se hizo prominente con la División de Investigación y Desarrollo de Energía Solar Avanzada de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. dentro del programa "Investigación aplicada a las necesidades nacionales", que se desarrolló entre 1969 y 1977, y financió la investigación sobre el desarrollo de energía solar para energía eléctrica terrestre . sistemas de poder. Una conferencia de 1973, la "Conferencia de Cherry Hill", estableció los objetivos tecnológicos necesarios para lograr este objetivo y describió un proyecto ambicioso para lograrlos, iniciando un programa de investigación aplicada que estaría en curso durante varias décadas. El programa finalmente fue asumido por la Administración de Investigación y Desarrollo de Energía (ERDA), que luego se fusionó con el Departamento de Energía de EE. UU.

Después de la crisis del petróleo de 1973, las compañías petroleras utilizaron sus mayores ganancias para iniciar (o comprar) empresas de energía solar y fueron durante décadas los mayores productores. Exxon, ARCO, Shell, Amoco (posteriormente comprada por BP) y Mobil tenían importantes divisiones de energía solar durante las décadas de 1970 y 1980. También participaron empresas tecnológicas, como General Electric, Motorola, IBM, Tyco y RCA.

Reducción de costes y crecimiento exponencial

Ajustado a la inflación, costaba $96 por vatio por un módulo solar a mediados de la década de 1970. Las mejoras en los procesos y un gran impulso en la producción han reducido esa cifra en más del 99 %, a 30 ¢ por vatio en 2018 y a tan solo 20 ¢ por vatio en 2020. La ley de Swanson es una observación similar a la Ley de Moore que establece que la energía solar los precios de las celdas caen un 20% por cada duplicación de la capacidad de la industria. Apareció en un artículo del semanario británico The Economist a fines de 2012. Los costos del sistema eran entonces más altos que los de los paneles. Se podrían construir grandes arreglos comerciales, a partir de 2018, por menos de $ 1.00 por vatio, completamente comisionados.

A medida que la industria de los semiconductores se trasladó a bolas cada vez más grandes, los equipos más antiguos se volvieron económicos. El tamaño de las celdas creció a medida que el equipo estuvo disponible en el mercado excedente; Los paneles originales de ARCO Solar usaban celdas de 2 a 4 pulgadas (50 a 100 mm) de diámetro. Los paneles de la década de 1990 y principios de la de 2000 generalmente usaban obleas de 125 mm; desde 2008, casi todos los paneles nuevos utilizan celdas de 156 mm. La introducción generalizada de televisores de pantalla plana a fines de la década de 1990 y principios de la de 2000 condujo a la amplia disponibilidad de láminas de vidrio grandes y de alta calidad para cubrir los paneles.

Durante la década de 1990, las células de polisilicio ("poli") se hicieron cada vez más populares. Estas celdas ofrecen menos eficiencia que sus contrapartes de monosilicio ("mono"), pero se cultivan en tanques grandes que reducen el costo. A mediados de la década de 2000, el poli era dominante en el mercado de paneles de bajo costo, pero más recientemente, el mono volvió a su uso generalizado.

Los fabricantes de celdas basadas en obleas respondieron a los altos precios del silicio en 2004–2008 con reducciones rápidas en el consumo de silicio. En 2008, según Jef Poortmans, director del departamento orgánico y solar de IMEC, las celdas actuales usan de 8 a 9 gramos (0,28 a 0,32 oz) de silicio por vatio de generación de energía, con espesores de obleas en el vecindario de 200 micrones. Los paneles de silicio cristalino dominan los mercados mundiales y se fabrican principalmente en China y Taiwán. A fines de 2011, una caída en la demanda europea redujo los precios de los módulos solares cristalinos a alrededor de $ 1,09 por vatio, un fuerte descenso con respecto a 2010. Los precios continuaron cayendo en 2012, alcanzando $ 0,62/vatio en el cuarto trimestre de 2012.

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

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

La caída de los costos se considera uno de los factores más importantes en el rápido crecimiento de la energía renovable, con una caída del costo de la electricidad solar fotovoltaica de ~85 % entre 2010 (cuando la energía solar y eólica representaron el 1,7 % de la generación de electricidad mundial) y 2021 (donde compuesto por el 8,7%). En 2019, las células solares representaron ~3 % de la generación de electricidad del mundo.

Subvenciones y paridad de red

Las tarifas de alimentación específicas de la energía solar varían según el país y dentro de los países. Tales tarifas fomentan el desarrollo de proyectos de energía solar. La paridad generalizada de la red, el punto en el que la electricidad fotovoltaica es igual o más barata que la red eléctrica sin subsidios, probablemente requiera avances en los tres frentes. Los defensores de la energía solar esperan lograr la paridad de la red primero en áreas con abundante sol y altos costos de electricidad, como en California y Japón. En 2007, BP reclamó la paridad de red para Hawái y otras islas que, de otro modo, utilizan combustible diésel para producir electricidad. George W. Bush fijó 2015 como fecha para la paridad de red en EE.UU. La Asociación Fotovoltaica informó en 2012 que Australia había alcanzado la paridad de red (ignorando las tarifas de alimentación).

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

A fines de 2016, se informó que los precios al contado de los paneles solares ensamblados (no de las células) habían caído a un mínimo histórico de US$0,36/Wp. El segundo proveedor más grande, Canadian Solar Inc., había informado costos de US$0,37/Wp en el tercer trimestre de 2016, después de haber bajado $0,02 con respecto al trimestre anterior, y por lo tanto probablemente todavía estaba al menos alcanzando el punto de equilibrio. Muchos productores esperaban que los costos cayeran cerca de $ 0,30 para fines de 2017. También se informó que las nuevas instalaciones solares eran más baratas que las plantas de energía térmica a base de carbón en algunas regiones del mundo, y se esperaba que este fuera el caso en la mayor parte del mundo en una década.

Teoría

La celda solar funciona en varios pasos:

• Los fotones de la luz solar golpean el panel solar y son absorbidos por materiales semiconductores, como el silicio dopado.
• Los electrones se excitan desde su orbital molecular/atómico actual. Una vez excitado, un electrón puede disipar la energía en forma de calor y regresar a su orbital o viajar a través de la celda hasta llegar a un electrodo. La corriente fluye a través del material para cancelar el potencial y se captura esta electricidad. Los enlaces químicos del material son vitales para que este proceso funcione y, por lo general, el silicio se usa en dos capas, una capa dopada con boro y la otra con fósforo. Estas capas tienen diferentes cargas eléctricas químicas y, posteriormente, impulsan y dirigen la corriente de electrones.
• Un conjunto de células solares convierte la energía solar en una cantidad utilizable de electricidad de corriente continua (CC).
• Un inversor puede convertir la potencia en corriente alterna (CA).

La celda solar más comúnmente conocida está configurada como una unión p-n de gran área hecha de silicio. Otros posibles tipos de celdas solares son las celdas solares orgánicas, las celdas solares sensibilizadas con tinte, las celdas solares de perovskita, las celdas solares de punto cuántico, etc. El lado iluminado de una celda solar generalmente tiene una película conductora transparente que permite que la luz entre en el material activo y se los portadores de carga generados. Por lo general, para este propósito se utilizan películas con alta transmitancia y alta conductancia eléctrica, como óxido de indio y estaño, polímeros conductores o redes de nanocables conductores.

Eficiencia

La eficiencia de las células solares se puede dividir en eficiencia de reflectancia, eficiencia termodinámica, eficiencia de separación del portador de carga y eficiencia conductiva. La eficiencia general es el producto de estas métricas individuales.

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

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

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

El factor de llenado es la relación entre la potencia máxima real obtenible y el producto de la tensión de circuito abierto y la corriente de cortocircuito. Este es un parámetro clave en la evaluación del desempeño. En 2009, las células solares comerciales típicas tenían un factor de llenado > 0,70. Las células de grado B estaban normalmente entre 0,4 y 0,7. Las celdas con un factor de llenado alto tienen una resistencia en serie equivalente baja y una resistencia en derivación equivalente alta, por lo que menos corriente producida por la celda se disipa en pérdidas internas.

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

En 2014, tres empresas batieron el récord del 25,6 % para una célula solar de silicio. La de Panasonic fue la más eficiente. La empresa movió los contactos frontales a la parte trasera del panel, eliminando las áreas sombreadas. Además, aplicaron películas delgadas de silicio en la parte delantera y trasera de la oblea (silicio de alta calidad) para eliminar los defectos en la superficie de la oblea o cerca de ella.

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

En septiembre de 2015, Fraunhofer ISE anunció el logro de una eficiencia superior al 20 % para las células de obleas epitaxiales. El trabajo de optimización de la cadena de producción en línea de deposición química de vapor a presión atmosférica (APCVD) se realizó en colaboración con NexWafe GmbH, una empresa escindida de Fraunhofer ISE para comercializar la producción.

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

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

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

Cronología informada de las eficiencias de conversión de energía de células solares de investigación (Laboratorio Nacional de Energía Renovable)

Materiales

Las celdas solares suelen recibir el nombre del material semiconductor del que están hechas. Estos materiales deben tener ciertas características para poder absorber la luz solar. Algunas celdas están diseñadas para manejar la luz solar que llega a la superficie de la Tierra, mientras que otras están optimizadas para su uso en el espacio. Las celdas solares pueden estar hechas de una sola capa de material absorbente de luz (unión simple) o usar múltiples configuraciones físicas (uniones múltiples) para aprovechar varios mecanismos de absorción y separación de carga.

Las celdas solares se pueden clasificar en celdas de primera, segunda y tercera generación. Las celdas de primera generación, también llamadas celdas convencionales, tradicionales o basadas en obleas, están hechas de silicio cristalino, la tecnología fotovoltaica predominante comercialmente, que incluye materiales como el polisilicio y el silicio monocristalino. Las celdas de segunda generación son celdas solares de película delgada, que incluyen celdas de silicio amorfo, CdTe y CIGS y son comercialmente significativas en centrales eléctricas fotovoltaicas a escala de servicios públicos, en edificios fotovoltaicos integrados o en pequeños sistemas de energía independientes. La tercera generación de celdas solares incluye una serie de tecnologías de película delgada que a menudo se describen como energía fotovoltaica emergente; la mayoría de ellas aún no se han aplicado comercialmente y aún se encuentran en la fase de investigación o desarrollo. Muchos usan materiales orgánicos, a menudo compuestos organometálicos así como sustancias inorgánicas. A pesar de que sus eficiencias habían sido bajas y la estabilidad del material absorbente a menudo era demasiado corta para las aplicaciones comerciales, se están investigando estas tecnologías, ya que prometen lograr el objetivo de producir células solares de bajo costo y alta eficiencia.

silicio cristalino

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

Silicio monocristalino

Las células solares de silicio monocristalino (mono-Si) presentan una composición monocristalina que permite que los electrones se muevan más libremente que en una configuración multicristalina. En consecuencia, los paneles solares monocristalinos ofrecen una mayor eficiencia que sus equivalentes policristalinos. Las esquinas de las celdas se ven recortadas, como un octágono, porque el material de la oblea se corta a partir de lingotes cilíndricos, que generalmente se cultivan mediante el proceso Czochralski. Los paneles solares que utilizan celdas mono-Si muestran un patrón distintivo de pequeños diamantes blancos.

Desarrollo de silicio epitaxial

Las obleas epitaxiales de silicio cristalino se pueden cultivar en una oblea de "semilla" de silicio monocristalino mediante deposición química de vapor (CVD), y luego separarse como obleas autoportantes de algún grosor estándar (por ejemplo, 250 µm) que se pueden manipular a mano, y sustituido directamente por celdas de oblea cortadas a partir de lingotes de silicio monocristalino. Las celdas solares fabricadas con esta técnica "sin corte" pueden tener eficiencias cercanas a las de las celdas cortadas en oblea, pero a un costo apreciablemente menor si la CVD se puede realizar a presión atmosférica en un proceso en línea de alto rendimiento. La superficie de las obleas epitaxiales se puede texturizar para mejorar la absorción de luz.

En junio de 2015, se informó que las células solares de heterounión crecidas epitaxialmente en obleas de silicio monocristalino de tipo n habían alcanzado una eficiencia del 22,5 % en un área total de células de 243,4 cm .

Silicio policristalino

Las celdas de silicio policristalino o silicio multicristalino (multi-Si) están hechas de lingotes cuadrados fundidos: grandes bloques de silicio fundido cuidadosamente enfriados y solidificados. Se componen de pequeños cristales que dan al material su típico efecto de escamas metálicas. Las celdas de polisilicio son el tipo más común utilizado en fotovoltaica y son menos costosas, pero también menos eficientes que las hechas de silicio monocristalino.

cinta de silicona

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

Mono-como-multisilicio (MLM)

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

Película delgada

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

Telururo de cadmio

El telururo de cadmio es el único material de película delgada hasta ahora que rivaliza con el silicio cristalino en costo/vatio. Sin embargo, el cadmio es altamente tóxico y los suministros de telurio (anión: "telururo") son limitados. El cadmio presente en las células sería tóxico si se liberara. Sin embargo, la liberación es imposible durante el funcionamiento normal de las celdas y es poco probable durante incendios en techos residenciales. Un metro cuadrado de CdTe contiene aproximadamente la misma cantidad de Cd que una batería de níquel-cadmio de una celda C, en una forma más estable y menos soluble.

Seleniuro de cobre, indio y galio

El seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) es un material de banda prohibida directa. Tiene la eficiencia más alta (~20%) entre todos los materiales de película delgada comercialmente significativos (ver celda solar CIGS). Los métodos tradicionales de fabricación implican procesos de vacío que incluyen la coevaporación y la pulverización catódica. Los desarrollos recientes en IBM y Nanosolar intentan reducir el costo mediante el uso de procesos de solución sin vacío.

película delgada de silicona

Las celdas de película delgada de silicio se depositan principalmente por depósito de vapor químico (típicamente mejorado con plasma, PE-CVD) a partir de gas silano y gas hidrógeno. Dependiendo de los parámetros de deposición, esto puede producir silicio amorfo (a-Si o a-Si:H), silicio protocristalino o silicio nanocristalino (nc-Si o nc-Si:H), también llamado silicio microcristalino.

El silicio amorfo es la tecnología de película fina mejor desarrollada hasta la fecha. Una celda solar de silicio amorfo (a-Si) está hecha de silicio no cristalino o microcristalino. El silicio amorfo tiene una banda prohibida mayor (1,7 eV) que el silicio cristalino (c-Si) (1,1 eV), lo que significa que absorbe la parte visible del espectro solar con más fuerza que la porción infrarroja de mayor densidad de potencia del espectro. La producción de células solares de película delgada de a-Si utiliza vidrio como sustrato y deposita una capa muy delgada de silicio mediante deposición química de vapor mejorada con plasma (PECVD).

El silicio protocristalino con una fracción de bajo volumen de silicio nanocristalino es óptimo para un alto voltaje de circuito abierto. Nc-Si tiene aproximadamente la misma banda prohibida que c-Si y nc-Si y a-Si se pueden combinar ventajosamente en capas delgadas, creando una celda en capas llamada celda en tándem. La celda superior en a-Si absorbe la luz visible y deja la parte infrarroja del espectro para la celda inferior en nc-Si.

Película delgada de arseniuro de galio

El material semiconductor arseniuro de galio (GaAs) también se utiliza para células solares de película delgada monocristalinas. Aunque las células de GaAs son muy caras, tienen el récord mundial de eficiencia para una célula solar de unión única con un 28,8 %.GaAs se usa más comúnmente en celdas fotovoltaicas de unión múltiple para energía fotovoltaica concentrada (CPV, HCPV) y para paneles solares en naves espaciales, ya que la industria favorece la eficiencia sobre el costo de la energía solar basada en el espacio. Según la literatura anterior y algunos análisis teóricos, hay varias razones por las que GaAs tiene una eficiencia de conversión de energía tan alta. En primer lugar, la banda prohibida de GaAs es de 1,43 ev, lo que es casi ideal para las células solares. En segundo lugar, debido a que el galio es un subproducto de la fundición de otros metales, las celdas de GaAs son relativamente insensibles al calor y pueden mantener una alta eficiencia cuando la temperatura es bastante alta. En tercer lugar, GaAs tiene una amplia gama de opciones de diseño. Usando GaAs como capa activa en la celda solar, los ingenieros pueden tener múltiples opciones de otras capas que pueden generar mejor electrones y huecos en GaAs.

Células multiunión

Las celdas de unión múltiple consisten en múltiples películas delgadas, cada una de las cuales es esencialmente una celda solar que crece sobre otra, típicamente usando epitaxia en fase de vapor metalorgánico. Cada capa tiene una energía de banda prohibida diferente que le permite absorber la radiación electromagnética en una porción diferente del espectro. Las celdas de unión múltiple se desarrollaron originalmente para aplicaciones especiales, como satélites y exploración espacial, pero ahora se utilizan cada vez más en concentradores fotovoltaicos terrestres (CPV), una tecnología emergente que utiliza lentes y espejos curvos para concentrar la luz solar en pequeñas uniones múltiples altamente eficientes. células solares. Al concentrar la luz solar hasta mil veces, la energía fotovoltaica de alta concentración (HCPV) tiene el potencial de superar a la energía solar fotovoltaica convencional en el futuro.

Las células solares en tándem basadas en uniones p-n monolíticas, conectadas en serie, de fosfuro de galio-indio (GaInP), arseniuro de galio (GaAs) y germanio (Ge), están aumentando las ventas, a pesar de las presiones de costos. Entre diciembre de 2006 y diciembre de 2007, el costo del galio metálico 4N aumentó de alrededor de $350 por kg a $680 por kg. Además, los precios del metal germanio han aumentado sustancialmente a $1000-1200 por kg este año. Esos materiales incluyen galio (4N, 6N y 7N Ga), arsénico (4N, 6N y 7N) y germanio, crisoles de nitruro de boro pirolítico (pBN) para el crecimiento de cristales y óxido de boro, estos productos son fundamentales para toda la industria de fabricación de sustratos.

Una celda de triple unión, por ejemplo, puede consistir en los semiconductores: GaAs, Ge y GaInP.
₂. Las células solares GaAs de triple unión se utilizaron como fuente de energía para los cuatro veces ganadores del World Solar Challenge holandés, Nuna, en 2003, 2005 y 2007, y para los automóviles solares holandeses Solutra (2005), Twente One (2007) y 21Revolution (2009). . Los dispositivos de unión múltiple basados ​​en GaAs son las células solares más eficientes hasta la fecha. El 15 de octubre de 2012, las células metamórficas de triple unión alcanzaron un récord del 44 %.

Células solares de doble unión GaInP/Si

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

Las células solares de unión simple de Si se han estudiado ampliamente durante décadas y están alcanzando su eficiencia práctica de ~26 % en condiciones de 1 sol. Aumentar esta eficiencia puede requerir agregar más celdas con una energía de banda prohibida superior a 1,1 eV a la celda de Si, lo que permite convertir fotones de longitud de onda corta para generar voltaje adicional. Una celda solar de doble unión con una banda prohibida de 1,6 a 1,8 eV como celda superior puede reducir la pérdida por termalización, producir una alta eficiencia radiativa externa y alcanzar eficiencias teóricas superiores al 45 %.Se puede fabricar una celda en tándem haciendo crecer las celdas de GaInP y Si. Cultivarlos por separado puede superar el desajuste constante de red del 4% entre Si y las capas III-V más comunes que impiden la integración directa en una celda. Por lo tanto, las dos celdas están separadas por un portaobjetos de vidrio transparente para que el desajuste de la red no cause tensión en el sistema. Esto crea una celda con cuatro contactos eléctricos y dos uniones que demostró una eficiencia del 18,1%. Con un factor de llenado (FF) del 76,2 %, la celda inferior de Si alcanza una eficiencia del 11,7 % (± 0,4) en el dispositivo tándem, lo que da como resultado una eficiencia acumulada de la celda tándem del 29,8 %. Esta eficiencia supera el límite teórico del 29,4%y el valor de eficiencia experimental récord de una celda solar de Si 1-sun, y también es más alto que el dispositivo GaAs de 1-sun de eficiencia récord. Sin embargo, usar un sustrato de GaAs es costoso y no es práctico. Por lo tanto, los investigadores intentan hacer una celda con dos puntos de contacto eléctrico y una unión, que no necesita un sustrato de GaAs. Esto significa que habrá una integración directa de GaInP y Si.

Investigación en celdas solares

Células solares de perovskita

Las celdas solares de perovskita son celdas solares que incluyen un material estructurado de perovskita como capa activa. Más comúnmente, se trata de un material basado en haluro de plomo o estaño orgánico-inorgánico híbrido procesado en solución. Las eficiencias han aumentado de menos del 5 % en su primer uso en 2009 al 25,5 % en 2020, lo que las convierte en una tecnología que avanza muy rápidamente y en un tema candente en el campo de las células solares. También se prevé que las células solares de perovskita sean extremadamente baratas de ampliar, lo que las convierte en una opción muy atractiva para la comercialización. Hasta el momento, la mayoría de los tipos de células solares de perovskita no han alcanzado la estabilidad operativa suficiente para ser comercializadas, aunque muchos grupos de investigación están investigando formas de solucionar este problema.Se demuestra que la sostenibilidad energética y ambiental de las células solares de perovskita y la perovskita en tándem dependen de las estructuras. La inclusión del elemento tóxico plomo en las células solares de perovskita más eficientes es un problema potencial para la comercialización.

Células solares bifaciales

Con una parte trasera transparente, las células solares bifaciales pueden absorber la luz tanto de la parte delantera como de la trasera. Por lo tanto, pueden producir más electricidad que las células solares monofaciales convencionales. La primera patente de células solares bifaciales fue presentada por el investigador japonés Hiroshi Mori, en 1966. Posteriormente, se dice que Rusia fue la primera en implementar células solares bifaciales en su programa espacial en la década de 1970.En 1976, el Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid, inició un programa de investigación para el desarrollo de células solares bifaciales liderado por el Prof. Antonio Luque. Sobre la base de las patentes estadounidense y española de 1977 de Luque, se propuso una celda bifacial práctica con una cara frontal como ánodo y una cara posterior como cátodo; en propuestas e intentos informados anteriormente, ambas caras eran anódicas y la interconexión entre celdas era complicada y costosa. En 1980, Andrés Cuevas, estudiante de doctorado en el equipo de Luque, demostró experimentalmente un aumento del 50 % en la potencia de salida de las células solares bifaciales, en relación con las monofaciales inclinadas y orientadas de forma idéntica, cuando se proporcionaba un fondo blanco.En 1981 se fundó en Málaga la empresa Isofotón para producir las células bifaciales desarrolladas, convirtiéndose así en la primera industrialización de esta tecnología de células fotovoltaicas. Con una capacidad de producción inicial de 300 kW/año. de células solares bifaciales, los primeros hitos de la producción de Isofotón fueron la central eléctrica de 20kWp en San Agustín de Guadalix, construida en 1986 para Iberdrola, y una instalación aislada en 1988 también de 20kWp en el pueblo de Noto Gouye Diama (Senegal) financiada por la Programas españoles de ayuda y cooperación internacional.

Debido a la reducción del costo de fabricación, las empresas han comenzado nuevamente a producir módulos bifaciales comerciales desde 2010. Para 2017, había al menos ocho fabricantes fotovoltaicos certificados que ofrecían módulos bifaciales en América del Norte. El International Technology Roadmap for Photovoltaics (ITRPV) ha pronosticado que la participación de mercado global de la tecnología bifacial se expandirá de menos del 5 % en 2016 al 30 % en 2027.

Debido al gran interés en la tecnología bifacial, un estudio reciente ha investigado el rendimiento y la optimización de los módulos solares bifaciales en todo el mundo. Los resultados indican que, en todo el mundo, los módulos bifaciales montados en el suelo solo pueden ofrecer una ganancia de ~10 % en la producción anual de electricidad en comparación con los homólogos monofaciales para un coeficiente de albedo del suelo del 25 % (típico para cubiertas vegetales y de hormigón). Sin embargo, la ganancia se puede aumentar a ~30 % elevando el módulo 1 m sobre el suelo y aumentando el coeficiente de albedo del suelo al 50 %. sol et al. también derivó un conjunto de ecuaciones empíricas que pueden optimizar analíticamente los módulos solares bifaciales.Además, existe evidencia de que los paneles bifaciales funcionan mejor que los paneles tradicionales en ambientes nevados, ya que los bifaciales en rastreadores de doble eje generaron un 14 % más de electricidad en un año que sus contrapartes monofaciales y un 40 % durante los meses pico de invierno.

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

banda intermedia

La energía fotovoltaica de banda intermedia en la investigación de células solares proporciona métodos para superar el límite de Shockley-Queisser en la eficiencia de una célula. Introduce un nivel de energía de banda intermedia (IB) entre las bandas de valencia y conducción. Teóricamente, la introducción de un IB permite que dos fotones con energía menor que la banda prohibida exciten un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción. Esto aumenta la fotocorriente inducida y, por lo tanto, la eficiencia.

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

tintas liquidas

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

Conversión ascendente y conversión descendente

La conversión ascendente de fotones es el proceso de utilizar dos fotones de baja energía ( por ejemplo , infrarrojos) para producir un fotón de mayor energía; La conversión descendente es el proceso de usar un fotón de alta energía ( por ejemplo , ultravioleta) para producir dos fotones de energía más baja. Cualquiera de estas técnicas podría usarse para producir células solares de mayor eficiencia al permitir que los fotones solares se usen de manera más eficiente. La dificultad, sin embargo, es que la eficiencia de conversión de los fósforos existentes que exhiben una conversión ascendente o descendente es baja y, por lo general, es de banda estrecha.

Una técnica de conversión ascendente es incorporar materiales dopados con lantánidos ( Er
, Yb
, Ho
o una combinación), aprovechando su luminiscencia para convertir la radiación infrarroja en luz visible. El proceso de conversión ascendente ocurre cuando dos fotones infrarrojos son absorbidos por iones de tierras raras para generar un fotón absorbible (de alta energía). Como ejemplo, el proceso de conversión ascendente de transferencia de energía (ETU), consiste en procesos de transferencia sucesivos entre iones excitados en el infrarrojo cercano. El material del convertidor ascendente podría colocarse debajo de la celda solar para absorber la luz infrarroja que pasa a través del silicio. Los iones útiles se encuentran más comúnmente en el estado trivalente. Eh
Los iones han sido los más utilizados. Eh
Los iones absorben la radiación solar alrededor de 1,54 µm. dos eh
los iones que han absorbido esta radiación pueden interactuar entre sí a través de un proceso de conversión ascendente. El ion excitado emite luz por encima de la banda prohibida de Si que es absorbida por la celda solar y crea un par electrón-hueco adicional que puede generar corriente. Sin embargo, el aumento de la eficiencia fue pequeño. Además, los vidrios de fluoroindato tienen baja energía de fonones y se han propuesto como matriz adecuada dopada con Ho
iones

Tintes absorbentes de luz

Las células solares sensibilizadas por colorante (DSSC) están hechas de materiales de bajo costo y no necesitan un equipo de fabricación elaborado, por lo que se pueden fabricar de forma casera. A granel, debería ser significativamente menos costoso que los diseños de celdas de estado sólido más antiguos. Las DSSC se pueden diseñar en láminas flexibles y, aunque su eficiencia de conversión es menor que la de las mejores celdas de película delgada, su relación precio/rendimiento puede ser lo suficientemente alta como para permitirles competir con la generación eléctrica de combustibles fósiles.

Por lo general, se usa un tinte orgánico metalúrgico de rutenio (centrado en Ru) como una monocapa de material absorbente de luz, que se adsorbe en una película delgada de dióxido de titanio. La celda solar sensibilizada por colorante depende de esta capa mesoporosa de nanopartículas de dióxido de titanio (TiO ₂ ) para amplificar en gran medida el área superficial (200–300 m /g TiO
₂, en comparación con aproximadamente 10 m /g de monocristal plano), lo que permite un mayor número de tintes por área de celda solar (lo que, en términos, aumenta la corriente). Los electrones fotogenerados del colorante que absorbe la luz se transmiten al TiO tipo n
₂y los agujeros son absorbidos por un electrolito en el otro lado del tinte. El circuito se completa con un par redox en el electrolito, que puede ser líquido o sólido. Este tipo de celda permite un uso más flexible de los materiales y, por lo general, se fabrica mediante serigrafía o boquillas ultrasónicas, con el potencial de costos de procesamiento más bajos que los utilizados para las celdas solares a granel. Sin embargo, los tintes en estas celdas también sufren degradación bajo el calor y la luz ultravioleta y la carcasa de la celda es difícil de sellar debido a los solventes utilizados en el ensamblaje. Por esta razón, los investigadores han desarrollado células solares de estado sólido sensibilizadas por colorante que utilizan un electrolito sólido para evitar fugas. El primer envío comercial de módulos solares DSSC se produjo en julio de 2009 desde G24i Innovations.

Puntos cuánticos

Las celdas solares de punto cuántico (QDSC) se basan en la celda de Gratzel, o arquitectura de celda solar sensibilizada por colorante, pero emplean nanopartículas semiconductoras de baja banda prohibida, fabricadas con tamaños de cristalitos lo suficientemente pequeños para formar puntos cuánticos (como CdS, CdSe, Sb
₂S
₃, PbS, etc.), en lugar de colorantes orgánicos u organometálicos como absorbentes de luz. Debido a la toxicidad asociada con los compuestos basados ​​en Cd y Pb, también hay una serie de materiales sensibilizadores QD "verdes" en desarrollo (como CuInS _2, CuInSe ₂ y CuInSeS). La cuantificación del tamaño de QD permite ajustar la brecha de banda simplemente cambiando el tamaño de las partículas. También tienen altos coeficientes de extinción y han demostrado la posibilidad de generación de múltiples excitones.

En una QDSC, una capa mesoporosa de nanopartículas de dióxido de titanio forma la columna vertebral de la célula, al igual que en una DSSC. Este TiO
₂Luego, la capa se puede hacer fotoactiva mediante el recubrimiento con puntos cuánticos de semiconductores mediante deposición por baño químico, deposición electroforética o adsorción y reacción sucesivas de capas iónicas. Luego, el circuito eléctrico se completa mediante el uso de un par redox líquido o sólido. La eficiencia de las QDSC ha aumentado a más del 5 % para las celdas de estado sólido y de unión líquida, con una eficiencia máxima informada del 11,91 %. En un esfuerzo por disminuir los costos de producción, el grupo de investigación de Prashant Kamat demostró una pintura solar hecha con TiO
₂y CdSe que se puede aplicar utilizando un método de un solo paso a cualquier superficie conductora con eficiencias superiores al 1%. Sin embargo, la absorción de puntos cuánticos (QD) en QDSC es débil a temperatura ambiente. Las nanopartículas plasmónicas se pueden utilizar para abordar la absorción débil de QD (p. ej., nanoestrellas). Agregar una fuente de bombeo de infrarrojos externa para excitar la transición intrabanda e interbanda de los QD es otra solución.

Células solares orgánicas/poliméricas

Las celdas solares orgánicas y las celdas solares poliméricas se construyen a partir de películas delgadas (generalmente de 100 nm) de semiconductores orgánicos, incluidos polímeros, como polifenileno vinileno y compuestos de molécula pequeña como ftalocianina de cobre (un pigmento orgánico azul o verde) y fullerenos de carbono y derivados de fullereno como como PCBM.

Se pueden procesar a partir de una solución líquida, lo que ofrece la posibilidad de un proceso de impresión simple de rollo a rollo, lo que podría conducir a una producción económica a gran escala. Además, estas celdas podrían ser beneficiosas para algunas aplicaciones donde la flexibilidad mecánica y la disponibilidad son importantes. Sin embargo, las eficiencias de las celdas actuales son muy bajas y los dispositivos prácticos son esencialmente inexistentes.

Las eficiencias de conversión de energía logradas hasta la fecha utilizando polímeros conductores son muy bajas en comparación con los materiales inorgánicos. Sin embargo, Konarka Power Plastic alcanzó una eficiencia del 8,3 % y las células tándem orgánicas en 2012 alcanzaron el 11,1 %.

La región activa de un dispositivo orgánico consta de dos materiales, un donante de electrones y un aceptor de electrones. Cuando un fotón se convierte en un par de huecos de electrones, generalmente en el material donante, las cargas tienden a permanecer unidas en forma de excitón, separándose cuando el excitón se difunde a la interfaz donante-aceptor, a diferencia de la mayoría de los otros tipos de células solares. Las cortas longitudes de difusión de los excitones de la mayoría de los sistemas poliméricos tienden a limitar la eficiencia de dichos dispositivos. Las interfaces nanoestructuradas, a veces en forma de heterouniones masivas, pueden mejorar el rendimiento.

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

En 2013, los investigadores anunciaron celdas de polímero con una eficiencia de alrededor del 3%. Utilizaron copolímeros de bloque, materiales orgánicos autoensamblables que se organizan en distintas capas. La investigación se centró en P3HT-b-PFTBT que se separa en bandas de unos 16 nanómetros de ancho.

Células adaptativas

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

En 2014 se desarrolló un sistema que combinaba una superficie adaptativa con un sustrato de vidrio que redirigirían la absorbida a un absorbente de luz en los bordes de la lámina. El sistema también incluye una serie de lentes/espejos fijos para concentrar la luz en la superficie adaptativa. A medida que avanza el día, la luz concentrada se mueve a lo largo de la superficie de la celda. Esa superficie cambia de reflectante a adaptativa cuando la luz está más concentrada y vuelve a ser reflectante después de que la luz avanza.

texturizado de superficies

Durante los últimos años, los investigadores han estado tratando de reducir el precio de las células solares y maximizar la eficiencia. La celda solar de película delgada es una celda solar rentable de segunda generación con un espesor muy reducido a expensas de la eficiencia de absorción de la luz. Se han realizado esfuerzos para maximizar la eficiencia de absorción de la luz con un espesor reducido. El texturizado de la superficie es una de las técnicas utilizadas para reducir las pérdidas ópticas y maximizar la luz absorbida. Actualmente, las técnicas de texturizado de superficies en silicio fotovoltaico están llamando mucho la atención. El texturizado de la superficie se puede hacer de múltiples maneras. El grabado de un sustrato de silicio monocristalino puede producir pirámides de base cuadrada distribuidas aleatoriamente en la superficie utilizando grabadores anisotrópicos.Estudios recientes muestran que las obleas de c-Si podrían grabarse para formar pirámides invertidas a escala nanométrica. Las celdas solares de silicio policristalino, debido a su peor calidad cristalográfica, son menos efectivas que las celdas solares monocristalinas, pero las celdas solares de mc-Si todavía se usan ampliamente debido a las menores dificultades de fabricación. Se informa que las células solares policristalinas pueden ser texturizadas en la superficie para producir una eficiencia de conversión de energía solar comparable a la de las células de silicio monocristalino, a través de técnicas de grabado isotrópico o fotolitografía.Los rayos de luz incidentes sobre una superficie texturizada no se reflejan en el aire a diferencia de los rayos sobre una superficie plana. Más bien, algunos rayos de luz rebotan en la otra superficie nuevamente debido a la geometría de la superficie. Este proceso mejora significativamente la eficiencia de conversión de luz a electricidad, debido a una mayor absorción de luz. Este efecto de textura, así como la interacción con otras interfaces en el módulo fotovoltaico, es una tarea de simulación óptica desafiante. Un método particularmente eficiente para el modelado y la optimización es el formalismo OPTOS. En 2012, los investigadores del MIT informaron que las películas de c-Si texturizadas con pirámides invertidas a nanoescala podrían lograr una absorción de luz comparable a la de c-Si planar 30 veces más gruesa.En combinación con el revestimiento antirreflectante, la técnica de texturizado de la superficie puede atrapar eficazmente los rayos de luz dentro de una célula solar de silicio de película delgada. En consecuencia, el espesor requerido para las células solares disminuye con la mayor absorción de rayos de luz.

Encapsulación

Las celdas solares se encapsulan comúnmente en una resina polimérica transparente para proteger las delicadas regiones de las celdas solares para que no entren en contacto con la humedad, la suciedad, el hielo y otras condiciones que se esperan durante el funcionamiento o cuando se usan al aire libre. Los encapsulantes se hacen comúnmente de acetato de polivinilo o vidrio. La mayoría de los encapsulantes son uniformes en estructura y composición, lo que aumenta la captación de luz debido a que la luz se atrapa por la reflexión interna total de la luz dentro de la resina. Se han realizado investigaciones para estructurar el encapsulante para proporcionar una mayor captación de luz. Dichos encapsulantes han incluido superficies de vidrio rugoso, elementos de difracción, conjuntos de prismas, prismas de aire, ranuras en V, elementos difusos, así como conjuntos de guías de ondas multidireccionales.Los conjuntos de prismas muestran un aumento general del 5% en la conversión total de energía solar. Las matrices de guías de ondas de banda ancha alineadas verticalmente proporcionan un aumento del 10 % en incidencia normal, así como una mejora de la colección de gran angular de hasta un 4 %, con estructuras optimizadas que producen un aumento de hasta el 20 % en la corriente de cortocircuito. Los recubrimientos activos que convierten la luz infrarroja en luz visible han mostrado un aumento del 30 %. Los recubrimientos de nanopartículas que inducen la dispersión de luz plasmónica aumentan la eficiencia de conversión de gran angular hasta en un 3 %. También se han creado estructuras ópticas en materiales de encapsulación para "encubrir" eficazmente los contactos frontales metálicos.

Mantenimiento autónomo

Se están desarrollando nuevos mecanismos de autolimpieza para paneles solares. Por ejemplo, en 2019, a través de nanocables grabados químicamente en húmedo y un recubrimiento hidrofóbico en las gotas de agua de la superficie, se podría eliminar el 98 % de las partículas de polvo, lo que puede ser especialmente relevante para las aplicaciones en el desierto.

Fabricar

Las células solares comparten algunas de las mismas técnicas de procesamiento y fabricación que otros dispositivos semiconductores. Sin embargo, los estrictos requisitos de limpieza y control de calidad de la fabricación de semiconductores son más relajados para las células solares, lo que reduce los costos.

Las obleas de silicio policristalino se fabrican cortando con alambre lingotes de silicio moldeados en bloques en obleas de 180 a 350 micrómetros. Las obleas suelen estar ligeramente dopadas de tipo p. Se realiza una difusión superficial de dopantes de tipo n en el lado frontal de la oblea. Esto forma una unión ap-n unos pocos cientos de nanómetros debajo de la superficie.

Luego, normalmente se aplican recubrimientos antirreflectantes para aumentar la cantidad de luz acoplada a la celda solar. El nitruro de silicio ha reemplazado gradualmente al dióxido de titanio como material preferido, debido a sus excelentes cualidades de pasivación superficial. Previene la recombinación de portadores en la superficie celular. Se aplica una capa de varios cientos de nanómetros de espesor mediante deposición química de vapor mejorada con plasma. Algunas células solares tienen superficies frontales texturizadas que, al igual que los revestimientos antirreflectantes, aumentan la cantidad de luz que llega a la oblea. Estas superficies se aplicaron por primera vez al silicio monocristalino, y algo más tarde al silicio multicristalino.

Se hace un contacto de metal de área completa en la superficie posterior, y un contacto de metal en forma de rejilla compuesto por "dedos" finos y "barras colectoras" más grandes se serigrafía en la superficie frontal con una pasta de plata. Esta es una evolución del llamado proceso "húmedo" para aplicar electrodos, descrito por primera vez en una patente estadounidense presentada en 1981 por Bayer AG.El contacto trasero se forma mediante serigrafía de una pasta metálica, normalmente aluminio. Por lo general, este contacto cubre toda la parte trasera, aunque algunos diseños emplean un patrón de cuadrícula. Luego, la pasta se cuece a varios cientos de grados centígrados para formar electrodos metálicos en contacto óhmico con el silicio. Algunas empresas utilizan un paso de galvanoplastia adicional para aumentar la eficiencia. Una vez realizados los contactos metálicos, las células solares se interconectan mediante cables planos o cintas metálicas y se ensamblan en módulos o "paneles solares". Los paneles solares tienen una lámina de vidrio templado en el frente y un encapsulado de polímero en la parte posterior.

Los diferentes tipos de fabricación y reciclaje determinan en parte qué tan efectivos son para reducir las emisiones y tener un efecto ambiental positivo. Tales diferencias y efectividad podrían cuantificarse para la producción de los tipos de productos más óptimos para diferentes propósitos en diferentes regiones a lo largo del tiempo.

Fabricantes y certificación

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

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

La producción mundial de células/módulos fotovoltaicos aumentó un 10 % en 2012, a pesar de una disminución del 9 % en las inversiones en energía solar, según el "Informe de estado fotovoltaico" anual publicado por el Centro Común de Investigación de la Comisión Europea. Entre 2009 y 2013 la producción de células se ha cuadriplicado.

Porcelana

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

Malasia

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

Estados Unidos

La producción de energía solar en los EE. UU. se ha duplicado entre 2013 y 2019. Esto fue impulsado primero por la caída del precio del silicio de calidad y luego simplemente por la caída global del costo de los módulos fotovoltaicos. En 2018, EE. UU. agregó 10,8 GW de energía solar fotovoltaica instalada, un aumento del 21 %.

Abastecimiento de materiales

Como muchas otras tecnologías de generación de energía, la fabricación de celdas solares, especialmente su rápida expansión, tiene muchas implicaciones ambientales y de cadena de suministro. La minería global puede adaptarse y expandirse potencialmente para obtener los minerales necesarios que varían según el tipo de celda solar. El reciclaje de paneles solares podría ser una fuente de materiales que de otro modo tendrían que ser extraídos.

Desecho

Las células solares se degradan con el tiempo y pierden su eficiencia. Las células solares en climas extremos, como el desierto o el polar, son más propensas a la degradación debido a la exposición a la fuerte luz ultravioleta y las cargas de nieve, respectivamente. Por lo general, los paneles solares tienen una vida útil de 25 a 30 años antes de ser desmantelados.

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

Reciclaje

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

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

En 2020, se publicó la primera evaluación global sobre enfoques prometedores de reciclaje de módulos solares fotovoltaicos. Los científicos recomendaron "investigación y desarrollo para reducir los costos de reciclaje y los impactos ambientales en comparación con la eliminación y maximizar la recuperación de materiales", así como la facilitación y el uso de análisis tecnoeconómicos. Además, encontraron que la recuperación de silicio de alto valor era más ventajosa que la recuperación de obleas de silicio intactas, y la primera aún requería el diseño de procesos de purificación para el silicio recuperado. Si el reciclaje está impulsado solo por los precios basados ​​en el mercado, en lugar de las regulaciones ambientales, los incentivos económicos para el reciclaje siguen siendo inciertos y, a partir de 2021, aún es necesario cuantificar el impacto ambiental de los diferentes tipos de técnicas de reciclaje desarrolladas.