La energía solar, la tercera mayor fuente de energía renovable después de la hidroeléctrica y la eólica, ha surgido como una alternativa limpia, sostenible y potente a los combustibles fósiles. La luz solar que incide sobre la Tierra es más de 10.000 veces el uso total de energía en el mundo, y las tecnologías para cosechar la mayor cantidad posible de energía solar están surgiendo rápidamente. Desde los primeros paneles solares comerciales de silicio (Si) creados por los Laboratorios Bell en 1954, las tecnologías más comunes hoy en día utilizan diferentes formas de células solares basadas en Si y convierten hasta el 20% de la luz solar en electricidad.
Según el análisis de mercado de la AIE, la generación de energía solar fotovoltaica (FV) -el proceso de convertir la luz solar en electricidad- ha alcanzado los 720 TWh en 2019 desde los 585 TWh de 2018 y se espera que crezca hasta los 1.940 TWh en 2025. La capacidad máxima mundial actual de energía solar es de 592 GW, lo que contribuye en un 2,2% a la generación mundial de electricidad.
- ¿Cuáles son los materiales innovadores actuales y futuros?
- Silicio cristalino
- Capas finas
- Células solares de perovskita
- ¿Cuáles son las tecnologías innovadoras de células solares integradas?
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¿Cuáles son los materiales innovadores actuales y futuros?
Una célula solar típica se compone de materiales semiconductores como el silicio de tipo p y n con una unión p-n en capas conectada a un circuito externo. La iluminación de los paneles con luz solar provoca la expulsión de electrones del silicio. Los electrones expulsados bajo un campo eléctrico interno crean un flujo a través de la unión p-n y el circuito externo, dando lugar a una corriente (electricidad). Con un mercado en rápido crecimiento y el desarrollo de aplicaciones creativas, la I+D sobre materiales innovadores para la energía solar está en su punto álgido para lograr la máxima eficiencia de conversión de la energía solar en electricidad a bajo coste. Los tres tipos de materiales semiconductores más investigados en la actualidad son el Si cristalino, las láminas delgadas y las células solares de perovskita (PSC) de próxima generación.
Silicio cristalino
El silicio cristalino (c-Si) es el material semiconductor más utilizado en los paneles solares, ocupando más del 90% del mercado fotovoltaico mundial, aunque su eficiencia está muy por debajo del límite teórico (~30%). Están surgiendo células solares fabricadas con materiales alternativos de bajo coste y alta eficiencia.
El Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) está impulsando el desarrollo de fotovoltaicos cristalinos de alta eficiencia, que incluye materiales III-V multijunción (con una eficiencia objetivo del >30%) y células solares híbridas en tándem III-V/Si. Sus células solares III-V de seis uniones han alcanzado una eficiencia del 47,1% bajo luz concentrada. Además, la tecnología bifacial basada en Si puede recoger la energía solar de ambos lados del panel, con un 11% más de eficiencia en comparación con los paneles estándar.
Capas finas
Las células solares de capa fina de segunda generación aparecen como una de las tecnologías fotovoltaicas más prometedoras debido a su diseño estrecho (capas que absorben la luz 350 veces más pequeñas en comparación con los paneles de Si estándar), su peso ligero, su flexibilidad y su facilidad de instalación. Normalmente se utilizan cuatro tipos de materiales en su construcción: cadmio-telururo (CdTe), silicio amorfo, cobre-indio-galio-selenio (CIGS) y galio-arseniuro (GaAs). Mientras que el CdTe tiene problemas de toxicidad debido al cadmio, las células solares de CIGS están resultando ser las opciones más prometedoras de alta eficiencia y económicas tanto para instalaciones residenciales como comerciales, con una eficiencia de hasta el 21%.
Ascent Solar es uno de los principales actores en la fabricación de módulos CIGS de alto rendimiento, y su tecnología CIGS superligera y extrema se utiliza en los sectores espacial, aeroespacial, gubernamental y público.
Células solares de perovskita
Entre las células solares de nueva generación, las células solares híbridas de haluro metálico de perovskita (PSC) han acaparado una gran atención debido a su bajo precio, su diseño más delgado, su procesamiento a baja temperatura y sus excelentes propiedades de absorción de luz (buen rendimiento con luz baja y difusa). Los PSC pueden ser flexibles, ligeros y semitransparentes. En particular, las películas delgadas de perovskita también pueden imprimirse, lo que permite una fabricación escalable de alto rendimiento, y un PSC impreso recientemente de rollo a rollo ha alcanzado una eficiencia del 12,2%, la más alta entre los PSC impresos.
En particular, los materiales combinados de perovskita y Si-PV han mostrado una eficiencia récord de hasta el 28% en condiciones de laboratorio, como ha demostrado Oxford PV. Aunque la estabilidad y la durabilidad han seguido siendo una de las principales preocupaciones, un reciente sistema de encapsulación de pila de polímeros y vidrio de bajo coste ha permitido que los PSC soporten las condiciones de funcionamiento estándar. Aunque los PSC aún no se comercializan, presentan importantes ventajas económicas y de eficiencia para impulsar el futuro del mercado de la energía solar.
¿Cuáles son las tecnologías innovadoras de células solares integradas?
Además de materiales innovadores, también están surgiendo métodos creativos para cosechar la máxima energía solar. Por ejemplo, la empresa suiza Insolight utiliza lentes integradas como potenciadores ópticos en el cristal protector de los paneles para concentrar 200 veces los haces de luz y alcanzar una eficiencia del 30%.
Otro avance reciente es el diseño de prototipos de dispositivos fotovoltaicos termorradiantes, o paneles solares inversos, que pueden generar electricidad por la noche utilizando el calor irradiado desde los paneles al espacio profundo acoplado ópticamente, que sirve de disipador de calor.
Interesantemente, junto con los materiales innovadores, también están surgiendo aplicaciones integradoras distintas de las instalaciones estándar en los tejados, que actualmente están en sus inicios. Por ejemplo, la destilación solar puede cosechar la energía solar mientras utiliza el calor disipado de los paneles para purificar el agua, si hay un accesorio de destilación de membrana integrado.
Otra tecnología transformadora del futuro podrían ser las pinturas solares, que incluyen la pintura solar de hidrógeno (genera energía a partir de la división del agua fotovoltaica), los puntos cuánticos (pintura fotovoltaica) y las pinturas basadas en la perovskita.
Además, las ventanas solares transparentes son aplicaciones muy innovadoras, y Ubiquitous Energy ha logrado una eficiencia de conversión de energía solar en electricidad del 10% con sus materiales transparentes. Una demostración de la Universidad Estatal de Michigan, pionera en esta tecnología, puede verse en este vídeo:
Con el rápido desarrollo de materiales semiconductores de bajo coste y alto rendimiento, películas finas que ocupan poco espacio y tecnologías fácilmente instalables, se espera que el mercado de la energía solar se dispare en los próximos cinco años. A pesar del contratiempo causado por la pandemia, la reducción de costes prevista del 15% al 35% para 2024 en las instalaciones solares es alentadora y podría hacer más asequible esta energía renovable.