La Universidad de Uppsala en colaboración con la empresa sueca First Solar European Technology Center (anteriormente conocida como Evolar) ha logrado un nuevo récord mundial de eficiencia a partir de células solares de seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS). El nuevo récord es del 23,64 por ciento de eficiencia. La medición fue realizada por el instituto independiente alemán Fraunhofer ISE y los resultados han sido publicados en la revista Nature Energy.
“Las mediciones que hemos realizado nosotros mismos para esta célula solar y otras células solares fabricadas recientemente están dentro del margen de error de una medición independiente. Esa medición también se utilizará para una calibración interna de nuestros propios métodos de medición”, afirma Marika Edoff, profesora de Tecnología de Células Solares en la Universidad de Uppsala, responsable del estudio.
El récord mundial anterior, del 23,35 por ciento, estaba en posesión de la japonesa Solar Frontier, precedido por el 22,9 por ciento de la alemana ZSW. La Universidad de Uppsala ya ostentó el récord anteriormente; la primera vez fue en los años 90 en la colaboración de investigación Euro-CIS.
“En algún momento también tuvimos el récord de un prototipo conectado en serie. Aunque ha pasado bastante tiempo desde que mantuvimos el récord celular, a menudo hemos estado detrás de los mejores resultados y, por supuesto, hay muchos aspectos relevantes a considerar, como el potencial de escalar a un proceso a gran escala, donde siempre hemos estado a la vanguardia”, dice Edoff.
Mayor capacidad de módulos solares
Las células solares están aumentando rápidamente en todo el mundo y la energía solar representó poco más del 6 por ciento de la electricidad en todo el mundo en 2022, según la Agencia Internacional de Energía (AIE). Los mejores módulos solares de silicio cristalino, que es el material más utilizado en las células solares, convierten actualmente más del 22 por ciento de la luz solar en energía eléctrica y las células solares modernas son de bajo costo y estables a largo plazo.
Uno de los objetivos de la investigación sobre células solares es alcanzar una eficiencia superior al 30 por ciento con costes de producción razonables. La atención se centra muy a menudo en las células solares en tándem, por ser más eficientes, pero hasta ahora han resultado demasiado costosas para su uso a gran escala.
El récord mundial del 23,64 por ciento lo ha medido el instituto independiente alemán Fraunhofer ISE. El artículo académico presenta un análisis material y eléctrico exhaustivo de la célula solar, así como una comparación con registros anteriores para el mismo tipo de célula solar de otras instituciones de investigación.
Las propiedades más importantes de una célula solar son la capacidad de absorber luz y la capacidad de transportar energía a una carga eléctrica. Para que esto tenga éxito, el material debe poder absorber una porción óptima de la luz solar y al mismo tiempo evitar desperdiciar esta energía convirtiéndola en calor dentro de la célula solar.
Células solares CIGS
Las células solares CIGS consisten en una lámina de vidrio hecha de vidrio normal para ventanas, recubierta con varias capas diferentes, cada una de las cuales tiene una función específica. El material que absorbe la luz solar está formado por cobre, indio, galio y seleniuro (de ahí el acrónimo CIGS), con adiciones de plata y sodio. Esta capa se coloca en la propia célula solar, entre un contacto posterior de molibdeno metálico y un contacto frontal transparente.
Para que la célula solar sea lo más eficiente posible a la hora de separar electrones, la capa CIGS se trata con fluoruro de rubidio. El equilibrio entre los dos metales alcalinos, sodio y rubidio, y la composición de la capa CIGS son clave para la eficiencia de la conversión, es decir, la parte del espectro solar completo que se convierte en energía eléctrica en la célula solar.
Cuando los institutos de medición realizan sus pruebas, miden la eficiencia de las células solares utilizando luz filtrada que imita al sol tanto en intensidad como en espectro. Durante la medición, la célula solar se mantiene a una temperatura controlada y los institutos independientes se envían periódicamente células solares de calibración entre sí. Para ser registrado como récord mundial se requiere una medición independiente, que en este caso fue realizada por el instituto de medición Fraunhofer ISE.
“Nuestro estudio demuestra que la tecnología de película delgada CIGS es una alternativa competitiva como célula solar independiente. La tecnología también tiene propiedades que pueden funcionar en otros contextos, como la celda inferior de una celda solar en tándem”, dice Edoff.
Distintos métodos
Se han utilizado varios métodos de medición avanzados para comprender mejor la correlación entre la eficiencia y la estructura de la célula solar: el material de la célula solar se ha caracterizado mediante nano-XRF (espectroscopia de fluorescencia de rayos X) en las instalaciones MAX IV de Lund, donde se ha realizado un cuidadoso análisis compositivo. La microscopía electrónica de transmisión (TEM) de alta resolución se ha utilizado para estudiar secciones transversales de la célula solar, tanto la composición en función de la profundidad como la forma en que se forman los granos de cristal, así como las interfaces entre las capas.
Utilizando la fotoluminiscencia, se ha estudiado el espectro de la luz emitida por la célula solar después de la excitación por un láser como medio para comprender qué tan bien la célula solar cuida los electrones internamente. Una célula solar que brilla intensamente tiene una menor proporción de pérdidas de calor internas que una célula solar que brilla débilmente. Finalmente, se han utilizado métodos de medición eléctrica para analizar el dopaje del material CIGS.
“El hecho de que ahora tengamos el récord mundial significa mucho tanto para la Universidad de Uppsala como para el First Solar European Technology Center. Para la tecnología CIGS, conocida por su alta fiabilidad, un récord mundial también significa que puede ofrecer una alternativa viable para nuevas aplicaciones, por ejemplo en células solares en tándem. Esto es importante para nuestros colegas investigadores de todo el mundo. Esperamos que los análisis de las propiedades eléctricas y del material sirvan de base para futuras mejoras en el rendimiento”, concluye Edoff.
galan
09/03/2024