Enerxía solar fotovoltaica e nanociencia en Cidemco

2006/12/01 Machado García, Maider - Fisikan doktoreaCidemco zentro teknologikoa Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Teknologia
• Energia berriztagarriak
• Ikerketa-zentroak

Na actualidade, a enerxía solar fotovoltaica desempeña un papel importante no camiño cara ao desenvolvemento sustentable. É una enerxía limpa, non produce ruído, non emite gases de efecto invernadoiro e pode ser utilizada tanto paira aplicacións illadas como paira a subministración de enerxía á rede de enerxía eléctrica.

O mercado fotovoltaico actual ofrece sistemas fiables. Con todo, o seu custo segue sendo pouco competitivo respecto ao resto de fontes de produción de electricidade. Por tanto, é imprescindible reducir dalgunha maneira o custo destes sistemas.

No sector das células fotovoltaicas predominan as células baseadas nas olatas de silicio cristalino. A materia prima básica é o silicio. A natureza é rica en silicio e as súas características están ben caracterizadas a nivel científico. Todo iso foi propiciado, en gran medida, polo enorme desenvolvemento dunha industria microelectrónica baseada no silicio, que contribuíu á adquisición dun coñecemento máis amplo e experiencia na materia.

Nos últimos anos, a investigación da enerxía solar fotovoltaica centrouse na redución do consumo de silicio e na redución de custos no proceso produtivo dos módulos, así como no aumento da eficiencia dos sistemas.

A produción destas células require un silicio sen impurezas, cada vez menos presente na natureza. Por iso, como xa se mencionou anteriormente, convén reducir o consumo de silicio. Ao mesmo tempo, o prezo dos sistemas fotovoltaicos está a incrementarse. As empresas subministradoras deste material á industria fotovoltaica fornecen tamén á industria microelectrónica. Esta escaseza de previsións xerou una serie de problemas que non serán resoltos a curto prazo. En realidade, tamén se podería utilizar silicio con maior grao de impureza obtido con técnicas máis económicas.

Na actualidade están a desenvolverse e optimizando estas técnicas. No entanto, paira iso vanse a pór en marcha multitude de plantas produtivas. Os expertos traballan nesta tarefa, pero a curto prazo non se poderán pór en marcha os talleres de produción suficientes paira abastecer á industria fotovoltaica.

Por outra banda, no proceso de produción das olatas existen una serie de pasos nos que pode estudarse a posibilidade de optimizar o uso do silicio nun paso, así como as técnicas de reciclaxe do mesmo.

Aumentar a eficiencia

Outro factor importante paira reducir o custo dos sistemas fotovoltaicos é o aumento da eficiencia das células e módulos. Si lográsese aumentar a eficiencia dos sistemas nun 1%, o custo dos sistemas reduciríase aproximadamente nun 5% por watt (Wp).

A eficacia das células de silicio cristalino no laboratorio non supera o 24,7%. A eficiencia das células comerciais é significativamente menor. Actualmente a eficiencia dos paneis fotovoltaicos comerciais oscila entre o 5% e o 15%. Estas cifras son mellorables, pero iso supón un gran esforzo de investigación. A utilización de enfoques innovadores pode supor entre un 10% e un 30% de eficiencia nos próximos anos. Actualmente estes paneis custan aproximadamente 3 euros/Wp. A curto ou medio prazo esperan un valor de 2 euros/Wp, 1 euro/Wp a medio ou longo prazo e 0,5 euros /Wp a longo prazo.

Os esforzos en I+D deberán centrarse na mellora dos puntos débiles e dos aspectos tecnolóxicos máis sensibles do proceso, todo iso co obxectivo de garantir a mellora continua da enerxía solar fotovoltaica.

Na área de eficiencia enerxética do centro tecnolóxico Cidemco están a desenvolverse diversos proxectos de investigación sobre enerxías renovables (solar fotovoltaica, solar térmica, refrixeración solar e biocombustibles).

Na actualidade, os estudos de enerxía solar fotovoltaica en Cidemco céntranse en dous ámbitos: por unha banda, queremos integrar a enerxía solar fotovoltaica na construción e, por outro, queremos optimizar os procesos de transformación da enerxía solar en electricidade a nivel dos átomos. Paira iso, utilizamos técnicas teóricas e experimentais moi coñecidas no campo das nanociencias e a nanotecnoloxía.

Novos materiais semiconductores

A nivel teórico, pretendemos desenvolver novos materiais semiconductores mediante métodos avanzados de simulación computacional baseados na física cuántica. Estes novos materiais terán niveis enerxéticos optimizados paira producir electricidade. Estes materiais denomínanse semiconductores de banda intermedia e poden ser apropiados paira a produción de células fotovoltaicas de alta eficiencia.

Estes semiconductores de banda intermedia presentan un nivel de enerxía adicional na estrutura dos seus niveis enerxéticos --bandas -. Desta forma utilízanse fotóns solares que non poderían ser aproveitados noutras ocasións paira xerar electricidade. Por tanto, o aproveitamento de todos estes fotóns solares incrementaría a eficiencia do proceso de transformación da enerxía solar en enerxía eléctrica, a condición de que se atopase material destas características. Teoricamente, o uso deste tipo de células suporía una eficiencia do 63%.

Requírese, por tanto, una investigación básica orientada ao desenvolvemento de novos materiais semiconductores. Estes materiais servirán de base a células de maior eficiencia que as actuais células solares fotovoltaicas dispoñibles no mercado.

Así mesmo, traballamos na mellora de dous produtos básicos da industria de células fotovoltaicas, desde un punto de vista máis experimental: o copolímero de acetato de vinilo (EVA), utilizado no vidro e cápsulas de paneis fotovoltaicos. Todo iso en colaboración cunha importante empresa do sector do vidro e a principal produtora e distribuidora europea de EVA. Ademais, o traballo científico realízase en colaboración permanente con varias universidades.

En xeral, as células solares estrutúranse en vidro-eva-semiconductor -eva-ferro posterior. Nos paneis fotovoltaicos utilízase maioritariamente vidro tépedo e moi transparente, é dicir, con pouco sal de ferro. Deixa pasar o 91% da luz e ten un espesor de 3 a 4 mm, estruturado paira reflectir a menor cantidade de luz posible e facilitar o acceso da luz ao material semiconductor. A EVA, utilizada paira encapsularse, ademais de ser ópticamente transparente, é estable a altas temperaturas e altas doses de radiación ultravioleta.

O obxectivo é incorporar ao vidro e a EVA una serie de principios activos que melloren a resposta da célula á radiación incidente. Paira iso, en colaboración coa Universidade de Cantabria e a Universidade do País Vasco, realizamos una investigación básica de materiais óptimos utilizando diferentes técnicas espectroscópicas. Así mesmo, analizamos a análise da implementación óptima destes materiais por parte de diferentes empresas e as súas posibles interaccións co resto de compoñentes, especialmente con EVA. No centro tecnolóxico Cidemco investigamos o comportamento destes compoñentes que se integran nos módulos e medimos a súa eficacia.

Tentando concentrar a luz solar

Ademais, queremos analizar o comportamento destes novos sistemas baixo a influencia da luz solar concentrada. As transicións electrónicas son moi non lineais, polo que consideramos que a utilización da luz solar concentrada pode aumentar considerablemente a eficiencia destes novos sistemas.

Paira iso, estamos a desenvolver en Cidemco un sistema de concentración solar. Este sistema contribuirá aos ensaios necesarios e servirá de base paira novos proxectos.

O enfoque proposto presenta una serie de vantaxes, entre as que cabe destacar que una vez identificado o material de características adecuadas, pode implantarse no vidro que as células teñen sobre elas ou incorporarse directamente ao material semiconductor a través de EVA, sen alterar o material fotovoltaico. Tecnicamente este método é mellor que outros como a introdución de defectos no silicio. Isto pode afectar nalgúns casos á eficacia celular. O método tamén pode aplicarse a outros tipos de células (CIGS, CdTe, Agarre, etc.) mediante a revisión dos principios activos.

Mediante este proceso de investigación preténdese aumentar a eficiencia das células fotovoltaicas de silicio actuais en aproximadamente un 2-3%. Isto terá consecuencias importantes paira a industria fotovoltaica nacional e internacional. Estes resultados integraríanse tanto no vidro como en EVA de forma sinxela e económica, e así:

conseguiríase aumentar a eficiencia dos sistemas fotovoltaicos e acelerar a súa amortización. As conclusións deste proxecto de investigación servirán de punto de partida paira o desenvolvemento optimizado do vidro e de EVA, a produción a gran escala e a comercialización do produto por parte das empresas participantes.