Llevar la tecnología del silicio cristalino al siguiente nivel
Las celdas fotovoltaicas tradicionales, en las que el silicio cristalino (c-Si) es el material semiconductor predominante, han sido una tecnología fotovoltaica (FV) fiable durante muchos decenios, ya que han ofrecido constantemente mejoras de eficiencia y reducción de costes. Sin embargo, hoy en día, el rendimiento de estos dispositivos está cerca de sus límites teóricos. Por consiguiente, se requieren dispositivos en tándem que tengan un potencial de eficiencia significativamente superior. En el proyecto SiTaSol, financiado con fondos europeos, se trabajó en la producción de una celda fotovoltaica de doble unión mediante el uso de fosfuro de arseniuro de galio (GaAsP) y silicio (Si). La celda fotovoltaica de GaAsP/Si se basa en una nueva plataforma que combina obleas de Si de bajo coste y epitaxia de alto rendimiento. Esta tecnología se basa en el principio de la tecnología en tándem, es decir, la división del espectro solar en distintas bandas espectrales que se absorben y convierten en diferentes materiales de absorción; en este caso, GaAsP y Si.
Hacia una técnica asequible y de alta eficiencia
«El principal objetivo del proyecto SiTaSol era identificar una tecnología para celdas solares en tándem III-V/Si que alcanzara una eficiencia del 30 % con un proceso ampliable a la escala de GW/año, lo cual llevaría a unos costes aceptables para el mercado FV», explica Frank Dimroth, coordinador del proyecto. Para ello, se tuvieron que investigar distintos componentes: el proceso de epitaxia de las capas de cristal III-V; la fabricación de una oblea de Si lista para el crecimiento de III-V; la formación de la celda inferior de Si, con recolección de luz; la transformación de los cristales en celdas fotovoltaicas con contactos; y el recubrimiento antirreflectante. SiTaSol construyó un nuevo aparato de epitaxia con el máximo caudal de corriente y produjo celdas fotovoltaicas en tándem de GaAsP/Si con una eficiencia del 20,8 % empleando un sustrato de Si de bajo coste y unas elevadas tasas de crecimiento de 100 µm/h. Tras añadir una tercera unión, se alcanzó hasta un 25,9 %. Dimroth aclara: «No todas las opciones tuvieron éxito, pero finalmente pudimos probar celdas fotovoltaicas en tándem III-V/Si que se acercan a nuestro objetivo. Evidentemente, la eficiencia todavía es inferior a la de los dispositivos de laboratorio, pero resulta alentador que se pueda lograr la combinación de una fabricación de bajo coste y un elevado rendimiento».
La innovación y la experimentación merecen la pena
El equipo investigó satisfactoriamente nuevas tecnologías para fabricar sustratos de Si con una superficie casi perfecta sin recurrir al pulido químico-mecánico. Además, pusieron en práctica nuevos procesos para mejorar la absorción de luz en el Si y probaron nuevas formas de fabricar contactos metálicos en las celdas empleando la impresión por chorro de tinta, una técnica prometedora si se mejora en el futuro. Además, se investigaron diferentes métodos para combinar el absorbedor III-V con el silicio Si; por ejemplo, con encolado como alternativa al crecimiento directo. Se determinó que la forma más sencilla de hacerlo era desarrollar las capas muy finas III-V (2-3 µm) directamente sobre la celda inferior de Si.
Beneficios medioambientales de la tecnología de las celdas solares en tándem
La elevada eficiencia de conversión presenta una ventaja ecológica: significa que se necesita una menor superficie de módulo y, por lo tanto, menos terreno y materiales para construir los módulos. «Los resultados muestran que una mayor eficiencia de conversión fotovoltaica es un factor que impulsa un menor impacto medioambiental. Las buenas noticias son que no fuimos capaces de encontrar ningún obstáculo importante para elaborar este producto a gran escala», concluye Dimroth.
Palabras clave
SiTaSol, celdas fotovoltaicas, eficiencia, silicio, bajo coste, fotovoltaico, FC, c-Si, silicio cristalino
