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Opinión · Un poco de ciencia, por favor

Tecnologías fotovoltaicas comerciales alternativas al silicio

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Ignacio Mártil
Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

En el anterior artículo de esta serie de dos, he analizado las principales ventajas e inconvenientes de la tecnología fotovoltaica basada en silicio, la dominante en el mercado en la actualidad. En este analizo las otras tecnologías comerciales de dispositivos fotovoltaicos, que se conocen genéricamente como tecnologías de lámina delgada. A mediados de la presente década tuvieron un gran auge, en especial en California, donde hay instalados grandes huertos solares basados en estas tecnologías:

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Huerto solar Topaz, situado en California. Es uno de los huertos solares más grandes del mundo. Con una extensión de 25 km2, tiene 550 MW de potencia instalada, que suministran nuevo millones de módulos fotovoltaicos de CdTe. Imagen: ABC News, 3-diciembre-2014

>Huerto solar Topaz, situado en California. Es uno de los huertos solares más grandes del mundo. Con una extensión de 25 km2, tiene 550 MW de potencia instalada, que suministran nuevo millones de módulos fotovoltaicos de CdTe. Imagen: ABC News


1. Semiconductores alternativos al silicio: CdTe y CuInGaSe2

Desde mediados de los años 90, se investiga intensamente en la fabricación de células solares con otros semiconductores que sí satisfacen los requisitos necesarios para obtener una eficiencia mayor que la alcanzada con el silicio, al menos desde un punto de vista teórico. Estos son el CdTe y el CuInGaSe2 (CIGS); ambos tienen el valor de su gap de energía prohibida próximo al óptimo (~1.5 eV), con lo que se logra absorber la radiación solar de una manera más eficiente que con las células de silicio.

Por otra parte, ambos semiconductores también presentan otra ventaja y es su elevada capacidad de absorción de la luz, por lo que se pueden utilizar grosores muy reducidos, del orden de 2-3 µm (1 µm = 0,000001 m) en las células. Por contraste, las células solares de silicio necesitan del orden de 200 µm para lograr una absorción eficaz. Todo ello hace que sea posible fabricar las células solares con tecnologías menos costosas que las empleadas en el caso del silicio.

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La estructura de estos dispositivos presenta muchas analogías con las células de Si, ya que esencialmente, son dispositivos de unión entre dos semiconductores: un emisor a través del cual se ilumina y una base que es donde se absorbe la práctica totalidad de la radiación solar; pero también tiene diferencias significativas con las primeras, que están  relacionadas con los materiales empleados para fabricarlas; el emisor y la base de las células de silicio son de silicio, mientras que en las células de CdTe y CIGS, el emisor se suele hacer de una unión compleja de dos semiconductores de gap elevado CdS/ZnO, siendo el absorbedor de CdTe o CIGS. Además, las tecnologías de fabricación empleadas dan lugar a materiales policristalinos. La imagen muestra un corte transversal de un dispositivo de CIGS, tomada con microscopía electrónica de barrido, en la que se han coloreado las diversas zonas del dispositivo para distinguir bien sus integrantes:

Sección transversal de una célula CIGS fabricada en uno de los centros de investigación líderes de esta tecnología, el ZSW (Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg; Centro de Investigación en Energía Solar e Hidrógeno de Baden-Würtemberg). Se aprecia la estructura irregular de las diversas zonas, debido a la naturaleza policristalina de los diferentes materiales integrantes.

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>Sección transversal de una célula CIGS fabricada en uno de los centros de investigación líderes de esta tecnología, el ZSW (Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg; Centro de Investigación en Energía Solar e Hidrógeno de Baden-Würtemberg). Se aprecia la estructura irregular de las diversas zonas, debido a la naturaleza policristalina de los diferen

Las células solares fabricadas con ambos semiconductores son comerciales desde hace años y hay grandes fabricantes basados tanto en CdTe (First Solar) como en CIGS (Solar Frontier), que comercializan paneles fotovoltaicos de estos semiconductores a costes competitivos con el silicio. En el siguiente vídeo se muestra una ruta de fabricación de esta clase de dispositivos:

De hecho, las células de CdTe tuvieron un éxito comercial notable en los años 2008-2012; el primer huerto solar instalado en el mundo que superó los 500 MW de potencia instalada fue Topaz Solar Farm, (mostrado en la primera imagen de este artículo), que está situado en el condado de San Luis Obispo, California. Su construcción finalizó en 2014 y durante dos años fue el huerto solar más grande del mundo. El siguiente vídeo muestra las diversas fases de instalación de ese huerto solar:

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No obstante, las células solares basadas en estos semiconductores también adolecen de problemas esenciales:

i) Las eficiencias de conversión en panel están en el entorno de 14-18%, es decir, están por debajo de este valor para las diferentes tecnologías de Silicio.

ii) Los elementos químicos constitutivos son extraordinariamente escasos, en particular Te, Se e In. Esto hace difícil imaginar una producción de paneles con estas tecnologías en escala de TW. Además, algunos como el Cd o el Se, tienen toxicidades muy elevadas, lo que compromete los procesos de reciclado de paneles al final de la vida útil de estos.

Estos factores hacen que la cuota de mercado de estas tecnologías permanezca por debajo del 5% del mercado mundial, y presente una tendencia decreciente desde el comienzo de la presente década, tal y como muestra la siguiente figura:

de mercado de estas tecnologías permanezca por debajo del 5% del mercado mundial, y presente una tendencia decreciente desde el comienzo de la presente década, tal y como muestra la siguiente figura:

Evolución anual del reparto por tecnologías (en %) del mercado fotovoltaico desde 1980 hasta el presente. Multi-Si (silicio multicristalino), mono-Si (silicio monocristalino). “Thin film” (CdTe y CIGS). Fuente: Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, Photovoltaic Report, 27-agosto-2018

En la actualidad, se estudian alternativas a las tecnologías comerciales, que buscan superar ampliamente las eficiencias de estos dispositivos, son los denominados dispositivos multiunión, que se utilizan para alimentar satélites artificiales, la Estación Espacial Internacional, los robots de exploración como el Mars Rover, etc.:

Izquierda: La Estación Espacial Internacional, con sus paneles fotovoltaicos desplegados. Imagen: International Space Station. Derecha: Mars Rover, con sus paneles solares visibles. En ambos instrumentos, las células solares que incorporan son dispositivos de multiunión. Imagen: Mars Exploration Rover Mission

>Izquierda: La Estación Espacial Internacional, con sus paneles fotovoltaicos desplegados. Imagen: International Space Station. Derecha: Mars Rover, con sus paneles solares visibles. En ambos instrumentos, las células solares que incorporan son dispositivos de multiunión. Imagen: Mars Ex

Hay ciertas industrias y laboratorios interesados en trasladar esta tecnología a la tierra, para instalar esta clase de células en los denominados sistemas de concentración. Los analizaré en próximos textos.

2. Conclusiones

El campo de la energía solar fotovoltaica es enormemente activo, tanto en logros comerciales como en investigación de nuevas ideas y conceptos que permitan obtener eficiencias de conversión de la energía solar en eléctrica elevadas a costes competitivos con los combustibles fósiles. No obstante, al día de hoy permanecen sin resolverse problemas esenciales: de una parte, las tecnologías de silicio, de CdTe y de CIGS han logrado costes muy competitivos, pero de otra, adolecen de problemas tales como eficiencias medias-bajas, toxicidad de algunos elementos integrantes, etc.

Desde hace muy pocos años, han aparecido en el panorama de la investigación en células solares alternativas una nueva clase de materiales, los denominados “perovskitas”, que parece (de momento, solo parece) que pueden aunar los dos requisitos añorados por la industria fotovoltaica: bajos costes con elevadas eficiencias. De ser factible, se lograría encontrar el “Santo Grial” de dicha industria, aunque hoy por hoy, no se vislumbra ninguna alternativa con visos de comercialización que pueda competir con el silicio en los próximos años.

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