El mes pasado, un investigador en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Golden, Colorado, cargó una celda solar del tamaño de un sello postal en una bandeja y la colocó bajo un simulador solar de pulso de alta intensidad. El simulador mostró un pulso de luz 2.5 en milisegundos, y los espejos 19 reflejaron los fotones en la celda. Durante unos pocos milisegundos más, los datos se canalizaban a través de un nido de cables en las computadoras NREL. Los investigadores trituraron y corrigieron los números, y el supervisor de rendimiento del dispositivo, Keith Emery, los verificó: se había establecido un nuevo récord mundial de eficiencia fotovoltaica solar.

En el mundo altamente técnico y altamente técnico de la energía fotovoltaica, la puntuación se mantiene como el porcentaje de energía solar bruta que golpea una celda que se convierte en electricidad. Debido a que su laboratorio es el único en los Estados Unidos certificado por la Comisión Electrotécnica Internacional para probar las eficiencias de las células solares, Emery es el anotador solar no oficial de la nación.

Estamos en un período renacentista de investigación fotovoltaica, en el que la innovación constante está impulsando la eficiencia en todos los tipos de células solares, desde el silicio cristalino más convencional hasta el telururo de cadmio de película delgada, hasta los nuevos descubrimientos, tales como células de perovskita. Los récords mundiales se están rompiendo a un ritmo vertiginoso, y los investigadores detrás de este último creador de registros saben mejor que celebrar durante demasiado tiempo.

El Santo Grial solar: paridad de cuadrícula

Casi todos en la comunidad fotovoltaica -incluso aquellos que quedaron en el polvo con las últimas innovaciones- están de acuerdo en que esta constante superioridad es algo muy bueno. Para la industria solar, las calificaciones de eficiencia son mucho más que derechos de fanfarronear o forraje para propuestas de subsidios de investigación. Son clave para acercarse a la "paridad de red": el punto en el que la electricidad fotovoltaica produce cuesta lo mismo que (o menos) que las plantas de carbón y gas natural.

“When you can develop solar cells that have super high efficiency, you unlock savings across the board,” says physicist John Rogers of the University of Illinois at Urbana?Champaign, a widely-revered leader in photovoltaic research. “You reduce the number of modules you build. You reduce the installation cost. Maintenance cost goes down. The amount of land you need goes down.”

La regla general en el mundo de la energía solar es que la energía fotovoltaica podrá competir directamente con el carbón y el gas natural cuando su costo de producción de electricidad alcance los $ 1 por vatio ". La suposición fundamental es que cuando se lleva algo a la paridad de la red, la aceptación de la tecnología es mucho mejor ", dice Ramamoorthy Ramesh, director fundador de la Programa SunShot del Departamento de Energía de EE. UU., que se lanzó en 2011 con la misión de reducir el costo de la energía solar para cumplir o superar el costo de la electricidad de los combustibles fósiles.

La regla general en el mundo de la energía solar es que la energía fotovoltaica podrá competir directamente con el carbón y el gas natural cuando su costo de producción de electricidad alcance los $ 1 por vatio. En el momento en que comenzó SunShot, el costo de la electricidad FV solar era de $ 5 por vatio. Tres años después, Ramesh informa que los costos ya han bajado a alrededor de $ 2.80 por vatio.

Sin embargo, la mayoría de las frutas de bajo costo para el ahorro de costos ya se han recogido, y un exceso de paneles solares chinos ha sido un gran impulsor de la accesibilidad solar. Para reducir el próximo $ 1.80, será esencial producir células con mayor eficiencia y trasladar esos descubrimientos del laboratorio al mundo real.

"Con la energía fotovoltaica, sabemos qué hacer", dice Ramesh. "Necesitamos reducir los costos de fabricación y mejorar la eficiencia".

Solar ofrece muchas oportunidades para la eficiencia

Las oportunidades para mejorar la eficiencia son muchas. Un área importante de enfoque es en el material semiconductor utilizado para capturar la energía de la luz y convertirla en corriente. Cada material utilizado como semiconductor tiene fortalezas y limitaciones únicas con respecto a la eficiencia, por lo general porque cada uno absorbe mejor un determinado segmento del espectro de luz natural, por lo que la búsqueda de materiales que pueden mejorar un poco es constante.

Para maximizar la eficiencia, los ingenieros están constantemente revisando cada aspecto de estas células microscópicas. Otros factores afectan la eficiencia final de una célula también: cómo un material semiconductor se degrada con el tiempo, cómo la arquitectura de la célula permite la absorción, qué tan bien los electrodos capturan la corriente que crea el semiconductor y la conducen a un uso productivo como la electricidad. Para maximizar la eficiencia, los ingenieros están constantemente retocando todos los aspectos de estas células microscópicas, alterando las químicas y los diseños para finalmente producir la mejor corriente y voltaje.

Debido a las diversas eficiencias potenciales de diferentes materiales y diseños, un puntaje de eficiencia récord para una determinada clase de célula fotovoltaica podría ser mucho mayor que otro. Las mejores celdas solares de capa fina en el mundo alcanzan un máximo de 23 por ciento, mientras que las mejores celdas basadas en silicio alcanzan un 26 por ciento y las mejores celdas multiunión (que usan una variedad de semiconductores apilados uno encima de otro) están borrando 44 por ciento .

Pero las celdas de unión múltiple son mucho más costosas de producir, y realmente no se pueden usar en entornos de techo extendidos. Por lo tanto, una celda de silicio que registra mejor que el porcentaje de eficiencia 25 es tan emocionante y prometedora como una celda multiunión que sincroniza 40.

¿Podemos esperar aumentos continuos en las eficiencias solares?

Cuando visualice un panel solar, en una azotea o en una gran granja fotovoltaica, es probable que tenga una imagen de silicio cristalino en la cabeza. Durante décadas, el silicio ha sido el caballo de batalla de la energía fotovoltaica en todo el mundo, con mucho, el semiconductor más común para las células solares. "Silicon ha estado alrededor de 80 a 90 en un porcentaje del mercado por algo así como 20 años", dice Sarah Kurtz, gerente del Grupo de Confiabilidad en NREL.

A través de esas décadas, las eficiencias de las células de silicio han aumentado constantemente, pero lentamente, y la actitud predominante era que no había mucha más eficiencia que pudiera extraerse del silicio. Hasta hace poco.

Una empresa advenediza de silicio, TetraSun, tiene investigadores de NREL y competidores viendo rojo. Al activar un par de convenciones de silicio en su oído, TetraSun registró la eficiencia del porcentaje 21 en solo 18 meses de trabajo. Si bien puede que no parezca mucho, ya está superando las típicas celdas de silicio impresas por pantalla, de lejos las más comunes que se ven en los tejados, en algunos puntos porcentuales graves.

Parte del secreto de TetraSun es el de algunos atletas de alto rendimiento: el dopaje. Todas las obleas de silicio están dopadas (químicamente tratadas), pero las llamadas células de "tipo N" de TetraSun están dopadas con fósforo. Esto evita que las células sufran la misma degradación inducida por la luz que plaga las obleas convencionales tipo "P" dopadas con boro, lo que ayuda a mantener las eficiencias altas por más tiempo en la vida útil de un panel. 

Tales esfuerzos para sustituir los materiales menos costosos por componentes caros son cada vez más importantes a medida que las empresas buscan construir instalaciones solares fotovoltaicas más grandes.

Las celdas de tipo N de TetraSun también tienen doble cara, y presentan una arquitectura inteligente que permite que el semiconductor capture la luz solar indirecta que rebota en la parte inferior del módulo. Y, además de eso, TetraSun cambió la red plateada que recubre el frente de un panel fotovoltaico de silicio típico, canalizando la corriente eléctrica fuera de la celda, para electrodos de cobre. En realidad, no fue tan simple: durante meses y meses, los ingenieros de TetraSun trabajaron con expertos de NREL para determinar cómo comportarse el cobre, un material bastante ingobernable. Finalmente, el cobre se pegó en la formación, las líneas cuadriculadas aproximadamente un veinticinco del ancho de un cabello humano.

Tales esfuerzos para sustituir los materiales menos costosos por componentes caros son cada vez más importantes a medida que las empresas buscan construir instalaciones solares fotovoltaicas más grandes, el supervisor de microscopía analítica NREL Mowafak Al-Jassim dijo a SolarReviews en noviembre pasado.

A partir de febrero, los paneles equipados con celdas revestidas de cobre de TetraSun están absorbiendo los rayos de los techos de los clientes que realmente pagan. La compañía fue comprada por First Solar, un jugador importante en la energía solar comercial, que inmediatamente lanzó el producto de TetraSun como su primera línea para techos.

Una posible estrella en ascenso: las células solares de perovskita

Si los investigadores de silicio están tratando de enseñar trucos nuevos a un viejo perro, un nuevo material solar llamado perovskita es una nueva raza de perros exóticos que está volviendo la cabeza y dejando caer las mandíbulas. Las células de perovskita (llamadas así por un mineral encontrado en los montes Urales) están disparando los cuadros de eficiencia más rápido que cualquier otra cosa que el mundo fotovoltaico haya visto alguna vez.

No fue sino hasta 2009 que la perovskita incluso se consideró como un semiconductor en las células solares. En ese momento, un científico japonés que experimentaba con él registró la eficiencia del porcentaje de 3.8. El mes pasado, un equipo de la Universidad de California-Los Ángeles informó el porcentaje de 19.3.

Las células de perovskita "son una variación de las células sensibilizadas por colorante, que se han trabajado durante bastante tiempo", explica Kurtz, refiriéndose a una clase emergente de células que esencialmente reemplaza las obleas semiconductoras de estado sólido por tintes orgánicos que absorben la luz. "Justo en el último año [los investigadores] descubrieron una combinación de materiales que permite una mayor eficiencia". Y desde entonces, ha estado fuera de competencia.

La mayor ventaja de la perovskita es lo fácil que es trabajar con ella. Puede crecer en un líquido y básicamente imprimirse en un material base, lo que permite una producción de células solares simple y barata que se transfiere fácilmente de los laboratorios de investigación de alta tecnología a las fábricas.

Un problema: las células de perovskita de mejor rendimiento se mezclan con plomo, que puede funcionar en los confines seguros de un laboratorio, pero que nadie va a poner en sus tejados. En el último mes, sin embargo, dos equipos de investigación separados han publicado resultados prometedores de experimentos tempranos que mezclan la perovskita con el estaño. El estaño no solo es más seguro y respetuoso con el medio ambiente que el plomo, sino que también es mucho más económico.

"El estaño es un material muy viable, y hemos demostrado que el material funciona como una célula solar eficiente", dijo Mercouri Kanatzidis, un químico de la Universidad de Northwestern en un declaración el mes pasado anunciando los hallazgos de su equipo. "El estaño y el plomo están en el mismo grupo en la tabla periódica, por lo que esperamos resultados similares".

Si las células solares de perovskita encuentran el éxito es, por supuesto, una pregunta abierta. Las células todavía no han demostrado su viabilidad en módulos de vidrio y metal, y todo el campo es demasiado joven para tener una idea de qué tan bien se mantienen en el tiempo.

El apilamiento de células es otro avance

Para Rogers, el apilamiento de celdas es la manera de romper los límites de eficiencia de la energía fotovoltaica tradicional. Cualquier material celular solar dado (como el telururo de cadmio o de silicio, la forma más popular de película delgada), explica Rogers, es excelente para absorber una cierta porción limitada del espectro de luz del sol. Sin embargo, debido a que solo están sintonizados en esas longitudes de onda, todas las células solares básicas tienen un límite teórico. (El silicio cristalino está alrededor del 29 por ciento, conocido en el campo como el límite de Shockley-Queisser).

La estrategia de Rogers es apilar diferentes materiales, cada capa capta un trozo diferente del espectro de luz. "La forma de mejorar la eficiencia es diseñar celdas solares que tengan la capacidad de operar en todo el rango espectral asociado con los fotones entrantes del sol. , y ese es un rango bastante amplio ", dice Rogers.

La estrategia de Rogers es apilar diferentes materiales: cada capa capta un trozo diferente del espectro de luz. "Se puede desarrollar una célula solar que funcione muy bien en verde pero pésima en rojo", explica, "pero luego apilar otra que esté sintonizada para funcionar efectivamente en rojo".

Las pilas de semiconductores resultantes son pequeñas, menos de un milímetro cuadrado cada una, pero el panel de vidrio que descansa sobre ellas contiene lentes que enfocan la luz del sol directamente en cada pila, como un niño malo quemando un insecto con una lupa. Cada luz que llega al panel se encuentra con una pila minúscula de células.

Esta hazaña de la microingeniería que, para simplificarlo brutalmente, implica el crecimiento de cada capa en un sustrato diferente, el grabado de las células deseadas, el "sellado de goma" de los semiconductores en la propia celda y luego apilarlas con cuatro capas de espesor, en realidad funciona. El equipo de Rogers acaba de anunciar una célula de cuatro capas que entró en el laboratorio con una eficiencia porcentual de 42.5.

Rogers ahora está trabajando con una compañía con sede en Carolina del Norte llamada Semprius para poner celdas multiunión como la suya en módulos listos para el campo. Incluso con toda la parafernalia variada, los módulos Semprius están logrando el porcentaje de eficiencia 35, que es "absolutamente el módulo de mayor rendimiento que existe", dice Rogers. "Ni siquiera está cerca".

Los propietarios probablemente no harán un pedido a Semprius, porque estos módulos no son para techos. Son "los más adecuados para las granjas solares a escala de servicio público, o puede imaginarlas instaladas en parques industriales y granjas de datos. Estamos hablando de la generación de energía a gran escala a un costo ultra bajo ”, dice Rogers.

¿Costo suficientemente bajo para lograr la paridad de la red? Siemens, el masivo líder solar alemán, piensa que sí. La compañía es una de las primeras inversoras en Semprius, y Rogers considera que su evaluación de la tecnología es "la más inspiradora".

"Echaron un vistazo y dijeron que esto podría ser más barato que el carbón".

Y, sin embargo, fiel a la naturaleza de la búsqueda de una mejor energía fotovoltaica, este no es el final de la historia: en el laboratorio, Rogers dice que con algunos ajustes menores su equipo podrá obtener la calificación de eficiencia por encima del porcentaje 50. "Podemos recorrer un largo camino sin otro avance".

Manténgase en sintonía.

Este artículo apareció originalmente en ENSIA

Sobre la autora

Ben Jervey es un escritor y editor que cubre el clima, la energía y el medio ambiente. Él escribe regularmente para Noticias de National Geographic, En la tierray DeSmogBlog. Recientemente trabajó con Focus the Nation para publicar un Primario Energy 101. Un entusiasta de la bicicleta, Ben ha recorrido los Estados Unidos y en gran parte de Europa.

Libro recomendado:

Cómo cambiar el mundo: los emprendedores sociales y el poder de las nuevas ideas, edición actualizada
por David Bornstein.

Publicado en más de veinte países, Cómo cambiar el mundo se ha convertido en la Biblia para el emprendimiento social. Perfila a hombres y mujeres de todo el mundo que han encontrado soluciones innovadoras para una amplia variedad de problemas sociales y económicos. Ya sea que trabajen para entregar energía solar a los aldeanos brasileños, o mejorar el acceso a la universidad en los Estados Unidos, los emprendedores sociales ofrecen soluciones pioneras que cambian vidas.

Haga clic aquí para obtener más información y / o para solicitar este libro en Amazon.