Investigadores australianos han demostrado que los nuevos diseños y técnicas de fabricación de paneles solares tienen el potencial de resolver algunos de los desafíos clave de operar a altas temperaturas, demostrando que no solo producen más electricidad útil sino que tienen una vida operativa más larga gracias a su capacidad para combatir el calor.
En una nueva investigación publicada en la revista Progress in Photovoltaics, los investigadores de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW) Sydney han demostrado que los diseños de células solares de próxima generación tienen la capacidad de lograr temperaturas de funcionamiento más bajas, lo que permite que las células mantengan una mayor eficiencia y ralenticen la degradación relacionada con el calor.
La clave para el rendimiento mejorado es una combinación de dos características de las células solares de próxima generación: una técnica llamada fisión singlete y la producción de células solares en tándem.
Los investigadores han explorado la producción de células solares “en tándem”, que consisten en dos tipos diferentes de células solares superpuestas. Un ejemplo común son las células solares de perovskita de próxima generación que se colocan en capas sobre una célula solar de silicio convencional. Al combinar dos tipos de células solares, es posible convertir más espectro de luz en electricidad útil, lo que aumenta la eficiencia general de la célula solar.
Las células solares en tándem se han promovido como una forma de superar las limitaciones técnicas de las células de silicio convencionales, mediante el uso de una capa de perovskita que puede convertir la luz solar en electricidad que de otro modo no sería utilizada por una célula de silicio.
La fisión singlete también ha atraído el interés de los investigadores como otra forma de extraer más energía útil de la luz solar.
En las células solares convencionales, una unidad de luz, conocida como fotón, transfiere energía a un electrón y permite que se produzca una corriente eléctrica. Al incorporar la técnica de fisión singlete en el diseño de células solares, se puede usar un solo fotón para entregar energía a dos electrones dentro del material de la célula solar. Al entregar energía al doble de electrones, la fisión singlete también puede proporcionar un camino hacia células solares más eficientes al permitir que se capture más energía solar.
Si bien los investigadores entienden bien que cada una de estas técnicas puede aumentar las eficiencias máximas de conversión de las células solares, el equipo de investigaciónde la UNSW Sydney dice que han podido mostrar los beneficios auxiliares adicionales de un rendimiento térmico mejorado y temperaturas de funcionamiento más bajas.
Como es común con otras tecnologías de semiconductores, las células solares pueden sufrir una caída en el rendimiento a medida que aumenta su temperatura. En otras aplicaciones de semiconductores, como los procesadores de computadora, se toman grandes longitudes para garantizar que los dispositivos se mantengan lo más fríos posible.
Pero esto puede ser un desafío para las tecnologías de células solares, cuyo propósito es estar directamente expuesto al sol todos los días. A medida que aumentan las temperaturas, la eficiencia de las células solares generalmente disminuye, lo que reduce la cantidad de electricidad útil producida. La exposición prolongada a altas temperaturas también puede limitar la vida útil de las células solares, siendo el calor un factor clave en la degradación de las células solares.
Las nuevas técnicas de diseño de células solares permiten células solares con un mayor rendimiento, convirtiendo la luz solar en una mayor cantidad de electricidad útil, además de permitir paneles solares de mayor duración.
Los investigadores señalaron los beneficios de temperaturas de funcionamiento más bajas para las células solares, con una disminución de 5 a 10 grados en la temperatura de funcionamiento de las células solares correspondiente a un aumento del 2 al 4 por ciento en la producción de electricidad.
Del mismo modo, las temperaturas de funcionamiento reducidas pueden prolongar la vida útil de las células solares, con el uso de diseños de células en tándem que aumentan la vida útil de las células solares en un promedio de 3,1 años y las células de fisión singlete duran hasta 4,5 años más.
La autora principal del estudio, Jessica Yajie Jiang, dijo que el uso de nuevas técnicas que pueden ofrecer un rendimiento térmico mejorado sería clave para el uso a gran escala de los diseños de células solares de próxima generación en implementaciones comerciales.
“El valor comercial de las tecnologías fotovoltaicas se puede incrementar ya sea aumentando la eficiencia de conversión de energía o la vida útil operativa”, dijo. “El primero es el principal impulsor del desarrollo de tecnologías de próxima generación, mientras que se ha pensado poco en las posibles ventajas de la vida útil.
“Demostramos que estas tecnologías fotovoltaicas avanzadas también muestran beneficios auxiliares en términos de una vida útil mejorada al operar a temperaturas más bajas y más resiliencia bajo degradación, introduciendo un nuevo paradigma para evaluar el potencial de las nuevas tecnologías de energía solar”.
La investigación fue realizada por la Escuela de Ingeniería de Energía Fotovoltaica y Renovable y el Centro ARC de Excelencia en Ciencia Exciton, ambos con sede en el campus de la UNSW en Sydney.