Nanocapas transparentes para obtener más energía solar
Un material nanoestructurado y un nuevo diseño de célula abren el camino a la producción de células solares de silicio con una eficiencia superior al 26%.
Hoy en día no hay forma más barata de generar electricidad que con el sol. Actualmente se están construyendo centrales eléctricas en lugares soleados que suministrarán electricidad solar por menos de dos céntimos por kilovatio hora. Las células solares disponibles en el mercado a base de silicio cristalino lo hacen posible con eficiencias de hasta el 23%. Por lo tanto, tienen una cuota de mercado mundial de alrededor del 95 por ciento. Con eficiencias aún mayores, de más del 26%, los costes podrían bajar aún más. Un grupo de trabajo internacional dirigido por investigadores fotovoltaicos del Forschungszentrum Jülich planea ahora alcanzar este objetivo con un material transparente nanoestructurado para la parte frontal de las células solares y un diseño sofisticado. Los científicos informan en la revista científica "Nature Energy" de su éxito tras muchos años de investigación.
Prototipo de las células solares en tamaño de laboratorio (TPC - Transparent Passivating Contact). En la oblea de silicio se pueden ver cuatro células solares de cuatro centímetros cuadrados cada una, contactadas y enmarcadas con contactos de plata serigrafiados.
Copyright: Forschungszentrum Jülich
Las células solares de silicio no han dejado de mejorar en las últimas décadas y ya han alcanzado un nivel de desarrollo muy elevado. Sin embargo, tras la absorción de la luz solar y la generación fotovoltaica de portadores de carga eléctrica sigue produciéndose el molesto efecto de la recombinación. En este proceso, los portadores de carga negativos y positivos que ya se han generado se combinan y se anulan entre sí antes de que puedan utilizarse para el flujo de electricidad solar. Los materiales especiales con una propiedad especial -la pasivación- ayudan a evitarlo. "Nuestras capas nanoestructuradas ofrecen precisamente esta pasivación deseada", afirma Malte Köhler, antiguo estudiante de doctorado y primer autor del Instituto Jülich de Investigación Energética y Climática (IEK-5), que ya se ha doctorado. Además, las capas ultrafinas son transparentes -por lo que apenas se reduce la incidencia de la luz- y presentan una elevada conductividad eléctrica.
"Ningún otro enfoque hasta ahora combina estas tres propiedades -pasivación, transparencia y conductividad- tan bien como nuestro nuevo diseño", afirma el Dr. Kaining Ding, jefe del grupo de trabajo de Jülich. Un primer prototipo de la célula solar TPC de Jülich alcanzó una alta eficiencia del 23,99% (+- 0,29%) en el laboratorio. Este valor también fue confirmado por el laboratorio independiente CalTeC del Instituto de Investigación de Energía Solar de Hamelín (ISFH). Esto significa que la célula solar TPC de Jülich sigue estando ligeramente por debajo de las mejores células de silicio cristalino fabricadas en laboratorio hasta la fecha. Sin embargo, las simulaciones realizadas en paralelo han demostrado que con la tecnología TPC son posibles eficiencias superiores al 26%. "Además, sólo hemos utilizado procesos de fabricación que pueden integrarse con relativa rapidez en la producción en serie", subraya Ding como ventaja frente a otros enfoques de investigación. Con esta estrategia, los científicos de Jülich allanan el camino para su desarrollo desde el laboratorio a gran escala en la producción industrial de células solares sin demasiado esfuerzo.
Para producir las capas de la célula solar TPC fueron necesarios varios pasos del proceso. Sobre una fina capa de dióxido de silicio, los investigadores depositaron una doble capa de diminutos nanocristales piramidales de carburo de silicio, aplicada a dos temperaturas diferentes. Por último, una capa transparente de óxido de indio y estaño. Ding y sus colegas utilizaron procesos químicos húmedos, deposición de vapor químico (CVD) y un proceso de sputtering.
Para su éxito, los investigadores del IEK 5 de Jülich y del Centro Ernst Ruska de Microscopía Electrónica de Jülich trabajaron en estrecha colaboración con varios institutos de los Países Bajos, China, Rusia y Ecuador. Entre los socios se encuentran investigadores de la Universidad RWTH de Aquisgrán, la Universidad de Duisburg-Essen, las Universidades Técnicas de Delft y Eindhoven, la Universidad San Francisco de Quito, la Universidad y el Instituto Kutateladze de Termofísica de Novosibirsk y la Universidad Sun Yat-Sen de Guangzhou. En pasos posteriores, el grupo de investigación de Kaining Ding planea optimizar aún más el rendimiento energético de sus células solares TPC. "Esperamos que los fabricantes de células solares muestren un gran interés por nuestra tecnología", afirma Ding.
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