Energia solar fotovoltaica i nanociència en Cidemco
2006/12/01 Machado García, Maider - Fisikan doktoreaCidemco zentro teknologikoa Iturria: Elhuyar aldizkaria
El mercat fotovoltaic actual ofereix sistemes fiables. No obstant això, el seu cost continua sent poc competitiu respecte a la resta de fonts de producció d'electricitat. Per tant, és imprescindible reduir d'alguna manera el cost d'aquests sistemes.
En el sector de les cèl·lules fotovoltaiques predominen les cèl·lules basades en les olatas de silici cristal·lí. La matèria primera bàsica és el silici. La naturalesa és rica en silici i les seves característiques estan ben caracteritzades a nivell científic. Tot això ha estat propiciat, en gran manera, per l'enorme desenvolupament d'una indústria microelectrònica basada en el silici, que ha contribuït a l'adquisició d'un coneixement més ampli i experiència en la matèria.
En els últims anys, la recerca de l'energia solar fotovoltaica s'ha centrat en la reducció del consum de silici i en la reducció de costos en el procés productiu dels mòduls, així com en l'augment de l'eficiència dels sistemes.
La producció d'aquestes cèl·lules requereix un silici sense impureses, cada vegada menys present en la naturalesa. Per això, com ja s'ha esmentat anteriorment, convé reduir el consum de silici. Al mateix temps, el preu dels sistemes fotovoltaics s'està incrementant. Les empreses subministradores d'aquest material a la indústria fotovoltaica subministren també a la indústria microelectrònica. Aquesta escassetat de previsions ha generat una sèrie de problemes que no seran resolts a curt termini. En realitat, també es podria utilitzar silici amb major grau d'impuresa obtingut amb tècniques més econòmiques.
En l'actualitat s'estan desenvolupant i optimitzant aquestes tècniques. No obstant això, per a això es posaran en marxa multitud de plantes productives. Els experts treballen en aquesta tasca, però a curt termini no es podran posar en marxa els tallers de producció suficients per a proveir a la indústria fotovoltaica.
D'altra banda, en el procés de producció de les olatas existeixen una sèrie de passos en els quals pot estudiar-se la possibilitat d'optimitzar l'ús del silici en un pas, així com les tècniques de reciclatge d'aquest.
Augmentar l'eficiència
Un altre factor important per a reduir el cost dels sistemes fotovoltaics és l'augment de l'eficiència de les cèl·lules i mòduls. Si s'aconseguís augmentar l'eficiència dels sistemes en un 1%, el cost dels sistemes es reduiria aproximadament en un 5% per watt (Wp).
L'eficàcia de les cèl·lules de silici cristal·lí en el laboratori no supera el 24,7%. L'eficiència de les cèl·lules comercials és significativament menor. Actualment l'eficiència dels panells fotovoltaics comercials oscil·la entre el 5% i el 15%. Aquestes xifres són millorables, però això suposa un gran esforç de recerca. La utilització d'enfocaments innovadors pot suposar entre un 10% i un 30% d'eficiència en els pròxims anys. Actualment aquests panells costen aproximadament 3 euros/Wp. A curt o mitjà termini esperen un valor de 2 euros/Wp, 1 euro/Wp a mitjà o llarg termini i 0,5 euros /Wp a llarg termini.
En l'àrea d'eficiència energètica del centre tecnològic Cidemco s'estan desenvolupant diversos projectes de recerca sobre energies renovables (solar fotovoltaica, solar tèrmica, refrigeració solar i biocombustibles).
En l'actualitat, els estudis d'energia solar fotovoltaica en Cidemco se centren en dos àmbits: d'una banda, volem integrar l'energia solar fotovoltaica en la construcció i, per un altre, volem optimitzar els processos de transformació de l'energia solar en electricitat a nivell dels àtoms. Per a això, utilitzem tècniques teòriques i experimentals molt conegudes en el camp de les nanociències i la nanotecnologia.
Nous materials semiconductors
A nivell teòric, pretenem desenvolupar nous materials semiconductors mitjançant mètodes avançats de simulació computacional basats en la física quàntica. Aquests nous materials tindran nivells energètics optimitzats per a produir electricitat. Aquests materials es denominen semiconductors de banda intermèdia i poden ser apropiats per a la producció de cèl·lules fotovoltaiques d'alta eficiència.
Aquests semiconductors de banda intermèdia presenten un nivell d'energia addicional en l'estructura dels seus nivells energètics --bandes -. D'aquesta forma s'utilitzen fotons solars que no podrien ser aprofitats en altres ocasions per a generar electricitat. Per tant, l'aprofitament de tots aquests fotons solars incrementaria l'eficiència del procés de transformació de l'energia solar en energia elèctrica, sempre que es trobés material d'aquestes característiques. Teòricament, l'ús d'aquesta mena de cèl·lules suposaria una eficiència del 63%.
Es requereix, per tant, una recerca bàsica orientada al desenvolupament de nous materials semiconductors. Aquests materials serviran de base a cèl·lules de major eficiència que les actuals cèl·lules solars fotovoltaiques disponibles en el mercat.
Així mateix, treballem en la millora de dos productes bàsics de la indústria de cèl·lules fotovoltaiques, des d'un punt de vista més experimental: el copolímer d'acetat de vinil (EVA), utilitzat en el vidre i càpsules de panells fotovoltaics. Tot això en col·laboració amb una important empresa del sector del vidre i la principal productora i distribuïdora europea d'EVA. A més, el treball científic es realitza en col·laboració permanent amb diverses universitats.
En general, les cèl·lules solars s'estructuren en vidre-eva-semiconductor -eva-planxa posterior. En els panells fotovoltaics s'utilitza majoritàriament vidre temperat i molt transparent, és a dir, amb poca sal de ferro. Deixa passar el 91% de la llum i té un gruix de 3 a 4 mm, estructurat per a reflectir la menor quantitat de llum possible i facilitar l'accés de la llum al material semiconductor. L'EVA, utilitzada per a encapsular-se, a més de ser òpticament transparent, és estable a altes temperatures i altes dosis de radiació ultraviolada.
Intentant concentrar la llum solar
A més, volem analitzar el comportament d'aquests nous sistemes sota la influència de la llum solar concentrada. Les transicions electròniques són molt no lineals, per la qual cosa considerem que la utilització de la llum solar concentrada pot augmentar considerablement l'eficiència d'aquests nous sistemes.
Per a això, estem desenvolupant en Cidemco un sistema de concentració solar. Aquest sistema contribuirà als assajos necessaris i servirà de base per a nous projectes.
L'enfocament proposat presenta una sèrie d'avantatges, entre les quals cal destacar que una vegada identificat el material de característiques adequades, pot implantar-se en el vidre que les cèl·lules tenen sobre elles o incorporar-se directament al material semiconductor a través d'EVA, sense alterar el material fotovoltaic. Tècnicament aquest mètode és millor que uns altres com la introducció de defectes en el silici. Això pot afectar en alguns casos a l'eficàcia cel·lular. El mètode també pot aplicar-se a altres tipus de cèl·lules (CIGS, CdTe, Agafi, etc.) mitjançant la revisió dels principis actius.
Mitjançant aquest procés de recerca es pretén augmentar l'eficiència de les cèl·lules fotovoltaiques de silici actuals en aproximadament un 2-3%. Això tindrà conseqüències importants per a la indústria fotovoltaica nacional i internacional. Aquests resultats s'integrarien tant en el vidre com en EVA de manera senzilla i econòmica, i així:
s'aconseguiria augmentar l'eficiència dels sistemes fotovoltaics i accelerar la seva amortització. Les conclusions d'aquest projecte de recerca serviran de punt de partida per al desenvolupament optimitzat del vidre i d'EVA, la producció a gran escala i la comercialització del producte per part de les empreses participants.
