ENERGÍAS RENOVABLES

Las células fotovoltaicas en su punto álgido

Los investigadores del Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (FhG-ISE), de Alemania, han hecho su sueño realidad antes de lo que esperaban. En enero de 2009 batieron un récord mundial en el sector de las células fotovoltaicas multiunión, con un índice de conversión del 41,24%. Pero creen que podrán ir más lejos, gracias a las células solares equipadas de estructuras multiunión metamórficas. Parece ser que el Sol no ha dicho aún su última palabra.

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Célula solar concebida por el Instituto Fraunhofer en 2009 gracias a la combinación de los materiales metamórficos Ga0.35In0.65P y Ga0.83In0.17As/Ge. Los investigadores lograron un rendimiento del 35% en 2008, batiendo así un nuevo récord mundial. Esperan alcanzar una eficacia del 42% al 43% en un plazo razonable.
Célula solar concebida por el Instituto Fraunhofer en 2009 gracias a la combinación de los materiales metamórficos Ga0.35In0.65P y Ga0.83In0.17As/Ge. Los investigadores lograron un rendimiento del 35% en 2008, batiendo así un nuevo récord mundial. Esperan alcanzar una eficacia del 42% al 43% en un plazo razonable.
Source: Fraunhofer ISE
Reactor MOVPE del Instituto Fraunhofer. Source: Fraunhofer ISE
Reactor MOVPE del Instituto Fraunhofer.
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Las células fotovoltaicas (FV) convencionales de unión simple de silicio, suficientes para dar energía a nuestros relojes y calculadoras, no son muy eficaces para convertir la energía del espectro solar en electricidad. Estas células fotovoltaicas industriales transforman eficazmente sólo el 17% de dicha energía, mientras que otros tipos de componentes van hasta el 25%.

De ahí que las investigaciones se estén enfocando en el desarrollo de células FV multiunión. Estas células, al estar compuestas por diferentes elementos, como el arsenio de galio, el fosfuro de indio y galio o el germanio, pueden captar una gama más amplia de energía solar. Una estructura multiunión en principio sólo es la acumulación de células de unión simple, pero si se aplican semiconductors distintos, cada una de las uniones convierte diferentes franjas del espectro solar, con un rendimiento más elevado. Desde hace una década, el Instituto Fraunhofer desarrolla células fotovoltaicas multiunión metamórficas, a base de semiconductores de los grupos III-V, idóneos para la conversión de la luz solar en electricidad.

La elaboración de cualquier célula FV se hace a partir de un semiconductor de unión P-N(1). Para obtener un mejor índice de conversión se van acumulando células de diversos materiales, poseyendo cada una de ellas su propia unión P-N. A principios de 2009, el Instituto Fraunhofer obtuvo el récord mundial con una célula compuesta por un substrato de germanio, recubierto con arsenio de galio, y una tercera capa de fosfuro de indio y galio. Según Andreas Bett, responsable del departamento de células solares, la idea de aumentar la eficacia por acumulación no es nueva, pero la clave ha sido utilizar la tecnología adecuada, con materiales de alta calidad.

El truco: el crecimiento cristalino metamórfico

Todos los semiconductores son materiales cristalinos. Estas estructuras periódicas están formadas por capas de átomos separados por una distancia propia del elemento químico utilizado, denominado “constante de red”. La capa inferior del “pastel” aquí es de germanio, y si se deposita encima otro material, en principio tiene que ser compatible con el germanio, es decir, tener la misma constante de red. Se obtiene entonces un cristal de alta calidad, que plantea pocos problemas a la hora de convertir la luz solar. Pero si la constante de red difiere, aunque sea ligeramente, se producen fallos locales denominados “dislocaciones” que reducen en gran medida el índice de conversión.

En eso consiste el truco del crecimiento metamórfico del Instituto Fraunhofer, que puso a punto una capa FV inactiva específica, denominada “capa intermedia”, en la que quedan confinadas todas las dislocaciones del cristal. Por encima de dicha capa intermedia se deposita cada material de nueva constante de red, lo que proporciona al final un cristal casi sin defectos. Todas las imperfecciones se concentran en una región eléctricamente inactiva de la célula solar, dejando limpias las porciones activas.

El crecimiento cristalino metamórfico utiliza un campo más ancho de semiconductores IIIV en las células FV multiunión. Para lograr un rendimiento óptimo, el espectro solar se subdivide en tres zonas de tamano equivalente mediante materiales con propiedades de absorción apropiadas. La combinación de los materiales metamórficos Ga0.35In0.65P y Ga0.83In0.17As/ Ge está perfectamente adaptada, ya que cada una de las subcélulas de la triple unión genera la misma cantidad de corriente eléctrica, condición esencial para mejorar la eficacia de conversión.

¿Fijarse de nuevo metas más altas?

No era el primer intento de los investigadores del Instituto Fraunhofer. En el 2008 ya habían batido el récord europeo de conversión solar, que pasó del 37,6% al 39,7%, en el espacio de tres meses. El desarrollo de las células de triple unión se realizó en el marco del proyecto FULLSPECTRUM, financiado por el Sexto Programa Marco de Investigación e iniciado en 2003. Los científicos empezaron sus investigaciones con un rendimiento del 32% hasta alcanzar el 35% en la fecha de finalización del proyecto, en septiembre del 2008.

Basándose en estos resultados, Andreas Bett opina que se podría llegar a una eficacia del 42% al 43% en un futuro próximo. “En la etapa siguiente se anadirán uniones suplementarias. Si llegamos a 5 o 6 uniones, podríamos posiblemente acercarnos al 50%. Pero esto requiere el desarrollo de nuevos materiales, lo que tardará un tiempo”. Por otro lado, las células FV multiunión de semiconductor III-V ya están en fase de producción industrial. De hecho, la tecnología inventada por el Instituto Fraunhofer fue trasladada a su socio privado, AZUR Space Solar Power, situado en Heilborn (Alemania). La empresa, antigua participante del proyecto FULLSPECTRUM, está a punto de producir esta célula fotovoltaica en masa.

“Estamos convencidos que nuestras células darán pie a una tecnología fotovoltaica de concentración más competitiva y que permitirán disminuir los costes de producción de electricidad de origen solar”, concluye Andreas Bett.

Amy Shifflette

  1. Véase el número especial “Salir de la era del petróleo” del research*eu, abril de 2008, la página 23, “La ‘fotovoltomanía’”.

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Para saber más

Un futuro brillante

El récord de conversión no es la única buena noticia en el sector fotovoltaico. A pesar de las sombrías previsiones económicas, los fabricantes de paneles solares están ayudando a la Unión Europea a alcanzar su objetivo del 20% de energía renovable de aquí al ano 2020. En 2007, en Alemania, el volumen de negocios del sector ascendió a 5.700 millones de euros, con más de 100.000 hogares equipados con paneles solares. En diciembre de 2008, el Photovoltaics Status Report, publicado por el Centro Común de Investigación (CCI) de la Comisión Europea, indicó un crecimiento anual de producción de energía solar del 40% de promedio, en el transcurso de los cinco últimos anos.

De una producción mundial de 10 mil millones de KWh de electricidad procedentes de sistemas fotovoltaicos, la mitad proviene de la Unión, con el efecto positivo de disminución de las emisiones de CO2 de cuatro millones de toneladas al ano. No obstante, en Europa, la energía solar corresponde sólo al 0,2% del consumo total de electricidad. Pero no por ello las perspectivas de las tecnologías fotovoltaicas son menos alentadoras, sobre todo si van apareciendo avances técnicos y medidas incentivas que las hagan más rentables. En 2010, está previsto que el valor del mercado alcance los 40 mil millones de euros, lo que conllevaría una bajada de precios para los consumidores.

www.jrc.ec.europa.eu


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A la cabeza

Desde su creación, Israel es un ejemplo de integración con éxito de las energías renovables. Ya en 1967, un hogar de cada 20 calentaba el agua que consumía con energía solar y, con la crisis del petróleo de 1970, este porcentaje subió al 90%. Allí la tecnología fotovoltaica compite realmente con la energía fósil, ya que su incorporación actualmente es obligatoria en cualquier nuevo edificio construido en el país. Las economías de escala y la sensibilización llevaron a una reducción sustancial de los costes. La amortización de la inversión se produce en unos tres o cuatro anos. En 2008, el departamento encargado de los servicios públicos israelíes fijó una tarifa de compra de la electricidad producida por las instalaciones solares. En el marco de este régimen de tarifas, las empresas de servicios públicos tienen que comprar la electricidad renovable por encima de los índices del mercado establecidos por el gobierno. Un mejor precio permite compensar los inconvenientes del coste inicial de la instalación.


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Un oasis de energia verde en el desierto?

Justo al lado de la agitación de la ciudad de Abu Dabi, en los Emiratos Árabes Unidos, se elevará dentro de poco la ciudad de Masdar: “la fuente”, en árabe. El funcionamiento de la ciudad dependerá completamente de la energía solar y de otras energías renovables, con emisiones y una producción de desechos casi nulas. Comenzada en 2006, con un coste estimado en 22 mil millones de dólares, la ciudad ocupará 6 kilómetros cuadrados y tendrá a unos 50.000 habitantes. Entre las distintas innovaciones, la ciudad contará con una gran central solar y en sus techos tendrá paneles fotovoltaicos para proporcionar más energía, así como un parque eólico situado fuera de los muros de la ciudad, que han sido concebidos para proteger Masdar del viento caliente del desierto. Los responsables del proyecto, apoyados por la organización ecologista WWF, también tienen la intención de aprovechar las posibilidades de la energía geotérmica y del hidrógeno.

www.masdaruae.com


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