Energía solar fotovoltaica y nanociencia en Cidemco
2006/12/01 Machado García, Maider - Fisikan doktoreaCidemco zentro teknologikoa Iturria: Elhuyar aldizkaria
El mercado fotovoltaico actual ofrece sistemas fiables. Sin embargo, su coste sigue siendo poco competitivo respecto al resto de fuentes de producción de electricidad. Por tanto, es imprescindible reducir de alguna manera el coste de estos sistemas.
En el sector de las células fotovoltaicas predominan las células basadas en las olatas de silicio cristalino. La materia prima básica es el silicio. La naturaleza es rica en silicio y sus características están bien caracterizadas a nivel científico. Todo ello ha sido propiciado, en gran medida, por el enorme desarrollo de una industria microelectrónica basada en el silicio, que ha contribuido a la adquisición de un conocimiento más amplio y experiencia en la materia.
En los últimos años, la investigación de la energía solar fotovoltaica se ha centrado en la reducción del consumo de silicio y en la reducción de costes en el proceso productivo de los módulos, así como en el aumento de la eficiencia de los sistemas.
La producción de estas células requiere un silicio sin impurezas, cada vez menos presente en la naturaleza. Por ello, como ya se ha mencionado anteriormente, conviene reducir el consumo de silicio. Al mismo tiempo, el precio de los sistemas fotovoltaicos se está incrementando. Las empresas suministradoras de este material a la industria fotovoltaica suministran también a la industria microelectrónica. Esta escasez de previsiones ha generado una serie de problemas que no serán resueltos a corto plazo. En realidad, también se podría utilizar silicio con mayor grado de impureza obtenido con técnicas más económicas.
En la actualidad se están desarrollando y optimizando estas técnicas. No obstante, para ello se van a poner en marcha multitud de plantas productivas. Los expertos trabajan en esta tarea, pero a corto plazo no se podrán poner en marcha los talleres de producción suficientes para abastecer a la industria fotovoltaica.
Por otra parte, en el proceso de producción de las olatas existen una serie de pasos en los que puede estudiarse la posibilidad de optimizar el uso del silicio en un paso, así como las técnicas de reciclado del mismo.
Aumentar la eficiencia
Otro factor importante para reducir el coste de los sistemas fotovoltaicos es el aumento de la eficiencia de las células y módulos. Si se lograse aumentar la eficiencia de los sistemas en un 1%, el coste de los sistemas se reduciría aproximadamente en un 5% por vatio (Wp).
La eficacia de las células de silicio cristalino en el laboratorio no supera el 24,7%. La eficiencia de las células comerciales es significativamente menor. Actualmente la eficiencia de los paneles fotovoltaicos comerciales oscila entre el 5% y el 15%. Estas cifras son mejorables, pero eso supone un gran esfuerzo de investigación. La utilización de enfoques innovadores puede suponer entre un 10% y un 30% de eficiencia en los próximos años. Actualmente estos paneles cuestan aproximadamente 3 euros/Wp. A corto o medio plazo esperan un valor de 2 euros/Wp, 1 euro/Wp a medio o largo plazo y 0,5 euros /Wp a largo plazo.
En el área de eficiencia energética del centro tecnológico Cidemco se están desarrollando diversos proyectos de investigación sobre energías renovables (solar fotovoltaica, solar térmica, refrigeración solar y biocombustibles).
En la actualidad, los estudios de energía solar fotovoltaica en Cidemco se centran en dos ámbitos: por un lado, queremos integrar la energía solar fotovoltaica en la construcción y, por otro, queremos optimizar los procesos de transformación de la energía solar en electricidad a nivel de los átomos. Para ello, utilizamos técnicas teóricas y experimentales muy conocidas en el campo de las nanociencias y la nanotecnología.
Nuevos materiales semiconductores
A nivel teórico, pretendemos desarrollar nuevos materiales semiconductores mediante métodos avanzados de simulación computacional basados en la física cuántica. Estos nuevos materiales tendrán niveles energéticos optimizados para producir electricidad. Estos materiales se denominan semiconductores de banda intermedia y pueden ser apropiados para la producción de células fotovoltaicas de alta eficiencia.
Estos semiconductores de banda intermedia presentan un nivel de energía adicional en la estructura de sus niveles energéticos --bandas -. De esta forma se utilizan fotones solares que no podrían ser aprovechados en otras ocasiones para generar electricidad. Por tanto, el aprovechamiento de todos estos fotones solares incrementaría la eficiencia del proceso de transformación de la energía solar en energía eléctrica, siempre y cuando se encontrase material de estas características. Teóricamente, el uso de este tipo de células supondría una eficiencia del 63%.
Se requiere, por tanto, una investigación básica orientada al desarrollo de nuevos materiales semiconductores. Estos materiales servirán de base a células de mayor eficiencia que las actuales células solares fotovoltaicas disponibles en el mercado.
Asimismo, trabajamos en la mejora de dos productos básicos de la industria de células fotovoltaicas, desde un punto de vista más experimental: el copolímero de acetato de vinilo (EVA), utilizado en el vidrio y cápsulas de paneles fotovoltaicos. Todo ello en colaboración con una importante empresa del sector del vidrio y la principal productora y distribuidora europea de EVA. Además, el trabajo científico se realiza en colaboración permanente con varias universidades.
En general, las células solares se estructuran en vidrio-eva-semiconductor -eva-plancha posterior. En los paneles fotovoltaicos se utiliza mayoritariamente vidrio templado y muy transparente, es decir, con poca sal de hierro. Deja pasar el 91% de la luz y tiene un espesor de 3 a 4 mm, estructurado para reflejar la menor cantidad de luz posible y facilitar el acceso de la luz al material semiconductor. La EVA, utilizada para encapsularse, además de ser ópticamente transparente, es estable a altas temperaturas y altas dosis de radiación ultravioleta.
Intentando concentrar la luz solar
Además, queremos analizar el comportamiento de estos nuevos sistemas bajo la influencia de la luz solar concentrada. Las transiciones electrónicas son muy no lineales, por lo que consideramos que la utilización de la luz solar concentrada puede aumentar considerablemente la eficiencia de estos nuevos sistemas.
Para ello, estamos desarrollando en Cidemco un sistema de concentración solar. Este sistema contribuirá a los ensayos necesarios y servirá de base para nuevos proyectos.
El enfoque propuesto presenta una serie de ventajas, entre las que cabe destacar que una vez identificado el material de características adecuadas, puede implantarse en el vidrio que las células tienen sobre ellas o incorporarse directamente al material semiconductor a través de EVA, sin alterar el material fotovoltaico. Técnicamente este método es mejor que otros como la introducción de defectos en el silicio. Esto puede afectar en algunos casos a la eficacia celular. El método también puede aplicarse a otros tipos de células (CIGS, CdTe, AsGa, etc.) mediante la revisión de los principios activos.
Mediante este proceso de investigación se pretende aumentar la eficiencia de las células fotovoltaicas de silicio actuales en aproximadamente un 2-3%. Esto tendrá consecuencias importantes para la industria fotovoltaica nacional e internacional. Estos resultados se integrarían tanto en el vidrio como en EVA de forma sencilla y económica, y así:
se conseguiría aumentar la eficiencia de los sistemas fotovoltaicos y acelerar su amortización. Las conclusiones de este proyecto de investigación servirán de punto de partida para el desarrollo optimizado del vidrio y de EVA, la producción a gran escala y la comercialización del producto por parte de las empresas participantes.
