El desarrollo de células solares en tándem de perovskita y silicio, compuestas por materiales estables y fabricadas mediante procesos de producción escalables, es la condición previa para el próximo salto tecnológico en la industria fotovoltaica. Durante un período de cinco años, seis institutos Fraunhofer combinaron su experiencia en el proyecto principal de Fraunhofer "MaNiTU" para mostrar las formas más sostenibles posibles de llevar estas células solares en tándem al mercado. Pudieron demostrar que se pueden lograr altos niveles de eficiencia utilizando procesos relacionados con la industria. Sin embargo, sólo se pueden lograr altas eficiencias con perovskitas que contengan plomo. Por ello, los investigadores desarrollaron conceptos de reciclaje adecuados para garantizar la sostenibilidad.
Los científicos del proyecto líder de Fraunhofer MaNiTU lograron producir una célula solar en tándem de perovskita y silicio con una eficiencia del 31,6 por ciento en 1 centímetro cuadrado. Para ello utilizaron una célula solar de silicio estándar que se utiliza actualmente en la industria.
Los científicos de Fraunhofer en el proyecto "MaNiTU" produjeron numerosos materiales nuevos con estructura cristalina de perovskita y los compararon con materiales conocidos a nivel celular. Resultó que sólo se pueden lograr altas eficiencias con perovskitas que contienen plomo. El equipo de investigación realizó demostradores altamente eficientes, por ejemplo una célula solar tándem de perovskita y silicio de más de 100 centímetros cuadrados con metalización serigrafiada, así como minimódulos para células solares tándem individuales e interconectadas. Los análisis del ciclo de vida completo demostraron que, con procesos de producción y reciclaje adecuados y tasas de degradación comparables a la tecnología de silicio actual, se dispone de un producto sostenible.
"Con este proyecto, la Sociedad Fraunhofer, en colaboración con varios institutos, ha vuelto a ocupar la primera posición mundial en energía fotovoltaica y debería permanecer allí", explicaron los consejos asesores del proyecto Fraunhofer en el evento final a finales de noviembre de 2024.
Los científicos investigaron procesos de fabricación de materiales de perovskita que pueden implementarse industrialmente en grandes superficies. Gracias a la llamada "ruta híbrida", una combinación de deposición de vapor y deposición química húmeda, obtuvieron películas delgadas de perovskita de alta calidad sobre células solares de silicio con textura industrial.
El equipo de investigación pudo lograr una célula solar en tándem de perovskita y silicio totalmente texturizada con una eficiencia del 31,6 por ciento en 1 centímetro cuadrado de área de la célula. "La estrecha cooperación industrial es ahora el siguiente paso para poder construir esta tecnología del futuro en Europa", resumió el profesor Andreas Bett, director del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar ISE y coordinador del proyecto emblemático de Fraunhofer.
Además de los compuestos comunes de perovskita que contienen plomo, el desarrollo de materiales se centró en alternativas no tóxicas y sin plomo. Los científicos pudieron adquirir conocimientos detallados sobre la estabilidad y las propiedades de los materiales objetivo mediante una estrecha integración de la simulación teórica, la síntesis de materiales experimentales y la producción de células. Además de diversos compuestos de perovskita, también se consideraron diferentes rutas de síntesis.
"En particular, la síntesis escalable y semicontinua de perovskita en forma de polvo mediante secado por aspersión representa un método de detección adecuado para una gran cantidad de compuestos y su potencial síntesis. El método también se puede aplicar a cantidades industrialmente relevantes", explicó Benedikt Schug, jefe de tecnología de partículas del Instituto Fraunhofer para la Investigación de Silicatos (ISC). Sin embargo, el equipo de investigación no pudo crear células solares en tándem con suficiente eficiencia utilizando ningún material sin plomo predicho por la teoría y sintetizado experimentalmente porque las cualidades intrínsecas del material no eran suficientemente altas.
Reducción de la huella ecológica
Para tener en cuenta todo el ciclo de vida del producto de las células solares en tándem, los científicos también analizaron el tema del reciclaje y las posibilidades de una economía circular cerrada. Realizaron y desarrollaron una evaluación detallada del impacto ambiental de la fase de producción, uso y fin de vida útil de las células solares tándem. "Mediante el uso de procesos de reciclaje avanzados, también se puede crear una economía circular para los sistemas fotovoltaicos para las perovskitas que contienen plomo y garantizar la eficiencia energética a largo plazo", resumió Peter Dold, director del Instituto Fraunhofer de Reciclaje y Estrategia de Recursos IWKS.
Los investigadores trabajaron en el desarrollo de componentes de sistemas y tecnologías de recubrimiento relacionados con la industria para crear materiales de contacto de alto rendimiento para contactos de electrones y huecos en el formato de oblea industrial G12. Uno de los desafíos fue la sensibilidad a la temperatura de la celda de perovskita, que al fabricar el sistema de contacto frontal solo permite temperaturas inferiores a 100 °C. Además, se requiere la deposición de un óxido conductor transparente sobre la celda.
Para ello se implementó en un sistema híbrido SALD una nueva cadena de procesos compuesta por la combinación de ALD y procesos de evaporación y se complementó con un proceso final de pulverización catódica. "Nuestro objetivo ahora es transferir el desarrollo", explica Volker Sittinger, jefe del departamento de sistemas basados en diamantes y tecnología limpia del Instituto Fraunhofer de películas finas y tecnología de superficies IST. “Trabajamos junto con los fabricantes de plantas y los usuarios finales para trasladar la nueva cadena de procesos de la investigación a la aplicación”.
Evaluar la eficiencia y estabilidad de las células solares en tándem
Los científicos también se centraron en la caracterización de células solares en tándem y desarrollaron métodos para el análisis selectivo y sin daños de las subcélulas de silicio y perovskita. Utilizando datos de caracterización, se podría utilizar un modelo de simulación optoeléctrica de la célula solar en tándem para un análisis exhaustivo de pérdidas y se podría determinar un límite superior práctico de eficiencia del 39,5 por ciento.
Además, desarrollaron aún más el análisis microestructural. En el Instituto Fraunhofer de Microestructura de Materiales y Sistemas IMWS, evaluaron técnicas de haz de iones enfocados (FIB) de bajo daño para la preparación de células solares industriales en tándem, que luego pueden analizarse con alta resolución en un microscopio electrónico de transmisión (TEM). Se construyó un soporte de muestra especial que permite la deposición directa de capas absorbentes y de contacto sobre sustratos TEM en el sitio de los socios del proyecto. Además, se desarrollaron métodos para investigar el espesor, el grado de cobertura y el enlace químico de monocapas moleculares autoensambladas.
Modelado de materiales absorbentes e interfaces de materiales
El equipo de investigación desarrolló modelos de cálculo que describen de forma precisa y eficiente las propiedades estructurales y fotovoltaicas de los materiales absorbentes relevantes, así como sus interfaces con materiales de contacto ópticamente transparentes y eléctricamente conductores. Para ello, los científicos del Instituto Fraunhofer de Mecánica de Materiales IWM desarrollaron un flujo de trabajo de simulación computacional que es aplicable no sólo a la energía fotovoltaica, sino también a cuestiones de materiales de interés industrial en otras tecnologías para la extracción, conversión, almacenamiento, distribución y uso de Se pueden utilizar fuentes de energía eléctrica sostenibles, como por ejemplo el hidrógeno.
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