Fraunhofer ISE establece un nuevo récord de eficiencia del 25,9% con células solares en tándem

El Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (ISE) ha anunciado que ha logrado un nuevo récord de eficiencia del 25,9% con una célula solar en tándem III-V / Si cultivada directamente sobre silicio. Esta celda se produjo por primera vez en un sustrato de silicio de bajo costo, lo que marca un hito importante en el camino hacia soluciones económicas para la energía fotovoltaica en tándem.

Fraunhofer ISE ha estado trabajando durante muchos años en células solares de múltiples uniones, en las que dos o tres subcélulas apiladas unas encima de otras absorben diferentes porciones del espectro solar y lo convierten en electricidad. El silicio es un absorbente adecuado para la parte infrarroja del espectro. Sobre el silicio se depositan varias capas micrométricas de semiconductores compuestos III-V hechos de elementos de los grupos III y V de la tabla periódica.

Estas subcélulas convierten de manera eficiente la luz de las partes ultravioleta, visible e infrarroja cercana del espectro en electricidad. Las células solares semiconductoras III-V en germanio se utilizan a menudo en el espacio, así como en concentradores fotovoltaicos. Mediante el desarrollo de procesos mejores y más rentables en combinación con el uso de silicio como subcélula inferior, la tecnología tándem puede volverse accesible para un uso amplio en casi todas las aplicaciones fotovoltaicas en el futuro. Sin embargo, aún queda mucho trabajo por hacer antes de que se pueda lograr este objetivo.

Existen varios enfoques diferentes para producir combinaciones de células solares de silicio y III-V. Por ejemplo, Fraunhofer ISE tiene el récord mundial de eficiencia de 34,1% (nuevo 34,5) para una célula solar en tándem en la que las capas de semiconductores III-V se transfieren de un arseniuro de galio a un sustrato de silicio y se conectan mediante unión de obleas.

Esta tecnología es muy eficiente pero también cara. Por esta razón, Fraunhofer ISE ha estado trabajando durante muchos años en procesos de fabricación más directos en los que las capas III-V se depositan o crecen directamente sobre una célula solar de silicio. En este proceso, es fundamental que todas las capas mantengan una alta calidad de cristal, y esto presenta un gran desafío.

Ahora se ha logrado un nuevo récord mundial de eficiencia del 25,9% para una célula solar en tándem III-V / Si cultivada directamente sobre silicio. "La compleja estructura interna de la celda no es visible desde el exterior, ya que todos los absorbentes separados están interconectados internamente por capas de cristal adicionales y conectados eléctricamente en serie", explica el joven investigador de celdas solares, quien pudo mejorar sus resultados de 24.3 al 25,9 por ciento en menos de un año. "Esto se logró mediante la sustitución de una única capa delgada dentro de la celda de unión múltiple", explica. "Un análisis cuidadoso de nuestras células mostró que esta capa creaba una barrera potencial para los electrones que se movían a través de la estructura cristalina".

Un punto a destacar de la nueva célula solar en tándem es que las capas III-V no se cultivaron sobre un sustrato pulido quimio-mecánicamente como en casos anteriores, sino directamente sobre una oblea de silicio que, después del aserrado, se trató en un proceso simple utilizando solo procesos de rectificado y grabado de bajo costo. La empresa danesa Topil desarrolló esta oblea de silicio en el proyecto europeo SiTaSol, dando así un paso importante hacia la producción económica de las nuevas células solares multiunión.

En el futuro, la atención se centrará en aumentar aún más la eficiencia, así como lograr una deposición de capas más rápida, con un mayor rendimiento y, por lo tanto, mejorar la rentabilidad de la producción. El objetivo último es que la energía fotovoltaica en tándem pueda hacer una contribución importante a la expansión de la energía fotovoltaica, necesaria para la transición energética.

Una tecnología clave para la transición energética

En muchas partes del mundo actual, la electricidad de las células solares es la forma más barata de generación de energía. "En Europa, la comunidad de investigación fotovoltaica está trabajando en numerosos conceptos para mejorar aún más la eficiencia de esta tecnología clave que juega un papel central en la transición energética", dice el profesor Stefan Glunz, director de la División de Investigación Fotovoltaica en Fraunhofer ISE. "No solo estamos trabajando para hacer que la producción de células solares de silicio sea más sostenible y rentable, sino que también estamos abriendo nuevos caminos. Nuestro objetivo es alcanzar eficiencias aún mayores utilizando el silicio probado en combinación con otros materiales semiconductores y hemos logrado esto en el campo de la energía fotovoltaica en tándem”.

Esta tecnología no solo abre la puerta al futuro de la generación de energía, sino que también es ideal para la electrólisis. que es un proceso de uso de electricidad para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. Por lo tanto, la energía fotovoltaica en tándem se puede utilizar para producir hidrógeno, un medio de almacenamiento de energía y un componente importante para la transición energética.