Tormentosa evolución de las células solares en tándem

Las células solares en tándem son una tendencia de desarrollo en la tecnología de la energía solar. Al combinar varias células solares y absorber así diferentes rangos de longitudes de onda, amplían el espectro de la luz solar utilizada y aumentan así significativamente el rendimiento de la energía eléctrica. Las células solares en tándem están formadas por al menos dos, y a veces varias, células solares individuales apiladas unas sobre otras, por lo que también se conocen como células solares apiladas o células solares multiunión. Sobre el estado de la investigación, la importancia de la tecnología y las ventajas frente a los módulos solares de silicio.

El compromiso con los huecos de banda

Toda célula solar fabricada a partir de un único material tiene que llegar a un compromiso en lo que respecta a la denominada separación de banda electrónica: Los materiales con una separación de banda alta pueden convertir fotones de alta energía de la región "azul" de onda corta del espectro solar en energía eléctrica de forma muy eficiente, pero no pueden absorber fotones de baja energía de la región "roja" de onda larga del espectro solar. Por el contrario, un material con una pequeña separación entre bandas -como el silicio que predomina hoy en día- puede absorber un gran número de fotones, es decir, una gran parte del espectro solar. Sin embargo, una gran parte de la energía que transportan los fotones de alta energía, es decir, la contenida en el rango de onda corta del espectro solar, no se convierte en energía eléctrica en los materiales con pequeños huecos de banda, sino que se pierde en forma de calor, explica el Prof. Dr. Robby Peibst. Lleva investigando en el ISFH (Institut für Solarenergieforschung GmbH) de Emmerthal desde 2010 y dirige allí el grupo de investigación "Next Generation Solar Cells" desde 2013. También es profesor de "Tecnologías de semiconductores para sistemas energéticos sostenibles" en la Universidad Leibniz de Hannover.

Silicio

El silicio cristalino, tal y como se utiliza en las células solares convencionales, tiene una brecha de banda fija de 1,12 eV y, por tanto, solo puede convertir eficazmente en electricidad una elevada proporción de luz roja e infrarroja. Con este band gap, los módulos de silicio más eficientes del mercado convierten en electricidad alrededor del 25% de la luz solar.

Hasta ahora, las células solares de silicio se han impuesto como líderes del mercado. Son estables, fiables y baratas gracias a su situación altamente competitiva. Prof. Dr. Steve Albrecht, Jefe del Departamento de Células Solares en Tándem de Perovskita, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB) y Jefe de la División de Células Solares de Perovskita, Technische Universität Berlin: "Los módulos solares de silicio dominan actualmente el 95% del mercado: Ahora son muy baratos, proporcionan electricidad fiable durante al menos 25 años y tienen eficiencias modulares de alrededor del 22%".

¿Qué son las perovskitas?

Para mejorar aún más la eficiencia de las células solares, se aplica al silicio una capa adicional, normalmente de perovskita. La investigación en células solares de perovskita no deja de cosechar nuevos éxitos. Ya en 2009, un grupo de investigación japonés dirigido por Tsutomu Miyasaka descubrió que ciertos materiales de la clase de las perovskitas son buenos semiconductores y pueden generar electricidad a partir de la luz solar. Las perovskitas no son sustancias químicas específicas, sino una clase de materiales con una estructura cristalina especial. Estos cristales están formados por tres tipos de átomos o moléculas, que se denominan A, B y X. Los bloques de construcción tienen una sola carga positiva. Los componentes básicos son cationes simples con carga positiva (como el metilamonio o el cesio), cationes dobles con carga positiva (como el plomo o el estaño) y aniones simples con carga positiva (como el yoduro, el bromuro y el cloruro). Las primeras células solares basadas en perovskitas alcanzaron una eficiencia de tan sólo el 3,8 %, nada digno de mención en el panorama de la tecnología de células solares. En agosto de 2023, un grupo de investigación dirigido por el profesor Xu Juxian, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC), logró una eficiencia del 26,1 %.

¿Cómo funcionan las células en tándem?

Una célula en tándem resuelve este reto combinando dos materiales: uno con una gran brecha de banda que convierte eficientemente el rango espectral de onda corta y otro con una pequeña brecha de banda que absorbe el rango de onda larga del espectro solar. Las dos subceldas dividen el espectro, lo que reduce a la mitad la corriente en cada una de ellas. Sin embargo, las tensiones que suministran ambas subcélulas se suman, por lo que es posible obtener eficiencias significativamente mayores que con un solo material. Con un tándem de dos materiales, el potencial teórico de eficiencia es de aproximadamente el 45 %, frente al 33 % con un solo material. Es posible llevar el concepto más allá y combinar aún más materiales, cada uno con brechas de banda graduadas. El actual récord mundial de eficiencia del 47,6% se consiguió con una célula solar que combinaba cuatro materiales diferentes (en este caso también se utilizó luz muy concentrada).

La industrialización

Esquema de una célula solar orgánica - Gráfico: Instituto de Física y Astronomía de la Universidad de PotsdamLosequipos de investigaciónsiguenenfrentándose a numerosos problemas. Uno de ellos es la estabilidad de las células. La industria ya ha empezado a utilizar los nuevos productos: La empresa británica Oxford PV ya ha instalado su primera línea de producción en Brandenburg an der Havel. Se trata de la primera planta del mundo de células solares de silicio perovskita en tándem, con una capacidad de producción prevista de 100 MW. Oxford PV es pionera y líder tecnológica en el campo de la energía fotovoltaica basada en la perovskita, con una cartera de varios centenares de patentes. La empresa surcoreana Hanwha Qcells quiere construir por 100 millones de dólares una línea de producción que pueda fabricar módulos tándem de silicio perovskita listos para el mercado en 2026. Empresas de Estados Unidos y China también están a la espera. En el laboratorio, estas células solares en tándem alcanzan actualmente eficiencias del 33,9 %.

El Prof. Dr. Stefan Glunz, Director del Departamento de Fotovoltaica del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar y Catedrático de Sistemas de Energía Solar y Conversión de Energía Fotovoltaica de la Universidad de Friburgo: "Los semiconductores de perovskita tienen propiedades optoelectrónicas óptimas, lo que significa que pueden alcanzarse eficiencias de conversión muy altas con células solares de perovskita. A su vez, las altas eficiencias permiten seguir mejorando tanto la eficiencia económica como la sostenibilidad de la energía fotovoltaica. Por eso, las perovskitas desempeñarán un papel importante en la próxima generación de energía fotovoltaica".

Las células solares de perovskita tienen el potencial de revolucionar el mercado fotovoltaico, afirma el Prof. Dr. Ulrich Paetzold, Jefe de Fotovoltaica de Nueva Generación del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT). Esta tecnología puede contribuir a reducir aún más los costes de la electricidad. Sin embargo, aún quedan algunos retos tecnológicos en cuanto a la estabilidad del material y la producción de la tecnología a gran escala. Los procesos de producción escalables deben depositar la capa de perovskita muy rápidamente, de forma muy homogénea y sin defectos, debido a las elevadas tasas de producción de la industria. Esto último es un reto tecnológico actual, prosigue el profesor de la Universidad de Friburgo.

Estado de la investigación

En lo que respecta a las células en tándem, la investigación mundial se centra actualmente en la clase de materiales de las perovskitas, que pueden producir células solares muy eficientes con los componentes adecuados. Estas perovskitas ofrecen una combinación de propiedades positivas: El bandgap de las perovskitas puede ajustarse en un amplio rango mediante la composición precisa, de modo que pueden cumplirse los criterios antes mencionados de "socios tándem adecuados", para diversas combinaciones tándem. Por ejemplo, es posible combinar silicio con una pequeña brecha de banda de 1,12 eV con una célula superior de perovskita con una brecha de banda de aproximadamente 1,7 eV para formar un tándem, o combinar dos perovskitas con brechas de banda diferentes; las perovskitas absorben "su" parte del espectro solar de forma muy eficiente, por lo que unas pocas capas de micrómetros de grosor son completamente suficientes. Los componentes de las perovskitas son baratos y están disponibles en cantidades suficientes. Las altas eficiencias mencionadas también se consiguen cuando las capas de perovskita están formadas por muchos granos que miden sólo unos pocos 10-100 nanómetros. Los límites de grano, que perjudican las propiedades electrónicas de otros materiales como el silicio, apenas intervienen en las perovskitas. Por tanto, para la producción de capas de perovskita es posible utilizar procesos de deposición muy rentables, que producen estas capas "granulares" o "policristalinas". A diferencia de lo que ocurre con otros materiales, ya no es necesario garantizar que las capas estén "perfectamente ordenadas" o sean "monocristalinas", algo que sólo es posible con procesos muy costosos. Con las perovskitas se dispone por primera vez de un "socio tándem" para el silicio, con el que se pueden realizar células tándem no sólo buenas, sino también potencialmente rentables. Las perovskitas se depositan a bajas temperaturas, lo que significa que las células solares de perovskita (sin silicio) tienen un tiempo de amortización energética muy corto. Por otro lado, existen las desventajas de una estabilidad insuficiente y la necesidad de utilizar plomo como componente de las (muy finas) capas de perovskita, afirma Peibst, investigador de células solares en tándem, al evaluar la tecnología.

Peibst responde así a la pregunta sobre su investigación: "ISFH se está posicionando en el campo altamente competitivo de la investigación sobre perovskita y tándem perovskita-silicio combinando nuestros muchos años de experiencia en la tecnología del silicio y en la producción y ensayo de módulos solares con los conocimientos técnicos sobre perovskita recién adquiridos para crear un paquete global completo, optimizando todo el sistema de "módulo tándem" con todos sus componentes y haciendo nuevas aportaciones, sobre todo en la interfaz entre las tecnologías individuales."

Uno de los institutos de investigación solar es el ISFH de Emmerthal. Aquí también trabaja el profesor Peibst - Foto: Institut für Solarenergieforschung GmbH

Estabilidad

Por ejemplo, la mejora de la estabilidad como reto central de las perovskitas requiere una selección óptima de todos los materiales contenidos en la célula solar. Además de las propias perovskitas, esto incluye también las capas de contacto e intermedias, así como procesos de fabricación escalables adecuados y un encapsulado optimizado de los módulos. La estabilidad también interactúa con la estructura en tándem deseada: un ejemplo extremo son las muy atractivas perovskitas o tándems de perovskitas, que, sin embargo, combinan varios retos complicados de estabilidad. En el otro extremo de la escala se encuentran las células solares en tándem de silicio perovskita de 3 terminales, a las que ISFH y sus socios ya han hecho muchas aportaciones y que son compatibles con las perovskitas más estables actualmente. "También estamos aprovechando nuestra experiencia en el sector del silicio para la aplicación industrial. Por ejemplo, actualmente estamos trabajando en la realización de pasos importantes en la producción de perovskita en hornos de cuarzo, que son comunes en el procesamiento del silicio y permiten un rendimiento muy alto debido al gran número de obleas procesadas simultáneamente", afirma el físico del ISFH. El ISFH colabora con socios como el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), el Centro Helmholtz de Berlín para Materiales y Energía (HZB) y el Laboratorio Nacional de Energías Renovables de Estados Unidos (NREL).

Importancia de la tecnología

Células solares en tándem a escala de laboratorio - Foto: Institut für SolarenergieforschungGmbHLa importancia de la tecnología en tándem tiene varias dimensiones: Tecnológicamente, es una apuesta de futuro para saber si los retos pendientes pueden resolverse o resultan ser bloqueos fundamentales. Peibst cree que es improbable que la tecnología tándem de la perovskita fracase, a la vista de los enormes esfuerzos de investigación que se realizan en todo el mundo. Un ejemplo alentador es la electrónica orgánica, que al principio también tuvo que luchar con problemas de estabilidad. Hoy en día, los OLED (diodos orgánicos emisores de luz) son estándar en pantallas y displays. En términos económicos, el trabajo en esta tecnología probablemente ya tiene ventajas indirectas para las empresas implicadas: Aquellas que puedan presumir de estar bien posicionadas en el desarrollo del próximo gran salto tecnológico podrán esgrimirlo como argumento a la hora de captar capital, aunque la producción en serie siga basándose actualmente en el silicio. Desde el punto de vista medioambiental, dadas las elevadísimas tasas de expansión de la energía fotovoltaica, el bajo tiempo de amortización de la energía es una importante ventaja potencial de la tecnología de tándem totalmente perovskita. Sin embargo, los costes de mano de obra de los instaladores de sistemas solares también son elevados en Alemania y deben compensarse con el mayor rendimiento energético posible, proporcional, entre otras cosas, a la vida útil del sistema. En este sentido, el aspecto del bajo tiempo de amortización de la energía es más bien una ventaja prospectiva que se materializará una vez que la estabilidad haya mejorado lo suficiente.

Alternativas

El Prof. Dr. Dieter Neher y el Dr. Felix Lang, de la Universidad de Potsdam, adoptan un enfoque diferente. No utilizan silicio. El silicio absorbe la luz de onda larga con una separación de banda menor en la región roja del espectro. Como el silicio no absorbe bien la luz, las células solares de silicio requieren capas gruesas. La producción de silicio también está asociada a un elevado consumo de energía. Sin embargo, es posible producir células solares en tándem a partir de dos capas de perovskita o combinar una perovskita con un semiconductor orgánico. Esto reduce la_{huella de CO2} durante la producción, ya que para producir silicio se necesitan temperaturas de unos 1.000 °C. Los tándems de capa fina pueden producirse a temperaturas mucho más bajas. Los físicos de Potsdam han estado trabajando en este campo.

El joven científico Lang y su grupo de investigación junior, financiado por la Fundación Volkswagen, ven una interesante aplicación en los viajes espaciales. En este caso, el bajo peso de estas capas delgadas como obleas, combinado con una alta eficiencia, es ideal para reducir los costes de lanzamiento de cohetes y las emisiones. Incluso son concebibles los grandes campos solares producidos en película, que sólo se extienden sobre una gran superficie en el espacio. En este sentido, la tecnología aún está en pañales. Por ejemplo, hay que utilizar estaño para la perovskita absorbente de infrarrojos con una pequeña separación de banda. Este elemento reacciona con el oxígeno, lo que supone un problema para las aplicaciones en la Tierra. Esta es otra de las razones por las que el físico propone inicialmente aplicaciones en el espacio sin oxígeno. Como alternativa, las capas orgánicas también deberían poder asumir la función del silicio. La capa orgánica absorbería entonces la luz roja e infrarroja, mientras que la perovskita absorbería los componentes azul-verde. La perovskita protegería la capa orgánica de la radiación UV no deseada, mientras que la capa orgánica encapsularía la perovskita, sensible a la humedad.

En HZB, varios laboratorios se han especializado en la producción de materiales de perovskita y utilizan diferentes procesos para ello - Foto: M. Setzpfandt/HZB

Conclusión

La investigación en el campo de las células solares en tándem con perovskitas está en pleno apogeo. Los esfuerzos de investigación son considerables. Sin embargo, aún no se han fabricado módulos de perovskita. Hay que seguir mejorando la durabilidad, la resistencia a la humedad y la estabilidad de las perovskitas antes de que estén listas para el mercado. Sólo entonces podrá iniciarse la producción.