12.08.2020 - Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE)

Nuevo récord de eficiencia para la tecnología de células solares en tándem

En el campo de la energía fotovoltaica, se están llevando a cabo intensas investigaciones para mejorar continuamente la eficiencia de las células solares. Cada vez más, la atención se centra en la energía fotovoltaica en tándem, en la que los materiales de las células solares de alto rendimiento se reúnen en diversas combinaciones para utilizar el espectro solar de manera aún más eficiente al convertir la luz en energía eléctrica. El ISE de Fraunhofer informa ahora de un nuevo récord de eficiencia del 25,9% para una célula solar en tándem III-V/Si cultivada directamente sobre silicio. Esta célula se produjo por primera vez en un sustrato de silicio de bajo costo, lo que marca un importante hito en el camino hacia soluciones económicas para la energía fotovoltaica en tándem.

El Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar ISE ha estado trabajando durante muchos años en células solares de unión múltiple, en las que dos o tres subcélulas apiladas sobre otra absorben diferentes porciones del espectro solar y lo convierten en electricidad. El silicio es un absorbente adecuado para la parte infrarroja del espectro. Sobre el silicio se depositan varias capas micrométricas de semiconductores compuestos de los grupos III y V de la tabla periódica. Estas subcélulas convierten eficientemente la luz de las partes ultravioleta, visible e infrarroja cercana del espectro en electricidad. Las células solares semiconductoras III-V en germanio se utilizan a menudo en el espacio, así como en la fotovoltaica de concentración. Gracias al desarrollo de procesos mejores y más eficaces en función de los costos en combinación con el uso del silicio como subcélula inferior, la tecnología en tándem puede llegar a ser accesible para un uso de amplio alcance en casi todas las aplicaciones fotovoltaicas en el futuro. Sin embargo, todavía queda mucho trabajo por hacer antes de que se pueda alcanzar este objetivo.

25,9% para las células solares en tándem III-V/Si cultivadas directamente sobre silicio

Existen varios enfoques diferentes para producir combinaciones de células solares de III-V y de silicio. Por ejemplo, el Fraunhofer ISE posee el récord mundial de eficiencia del 34,1 (nuevo 34,5) por ciento para una célula solar en tándem en la que las capas semiconductoras III-V se transfieren de un arseniuro de galio a un sustrato de silicio y se conectan mediante la unión de obleas. Esta tecnología es muy eficiente pero también costosa. Por esta razón, el Fraunhofer ISE ha estado trabajando durante muchos años en procesos de fabricación más directos en los que las capas III-V se depositan, o crecen directamente sobre una célula solar de silicio. En este proceso es crucial que todas las capas mantengan una alta calidad de cristal, y esto presenta un gran desafío. Ahora se ha alcanzado un nuevo récord mundial de eficiencia del 25,9 por ciento para una célula solar en tándem III-V/Si cultivada directamente sobre silicio. El investigador Markus Feifel del Fraunhofer ISE presentó recientemente sus exitosos resultados en la 47ª Conferencia de Especialistas en Fotovoltaica del IEEE, que se celebró en línea como muchas conferencias actuales. En esta conferencia su trabajo fue distinguido con el Premio Estudiantil en la categoría de Células Solares Tándem Híbridas. "La compleja estructura interna de la célula no es visible desde el exterior, ya que todos los absorbedores separados están internamente interconectados por capas de cristal adicionales y conectados en serie eléctricamente", explica el joven investigador de células solares, que pudo mejorar sus resultados de 24,3 a 25,9 por ciento en menos de un año. "Esto se logró reemplazando una sola capa delgada dentro de la célula de unión múltiple", explica. "Un análisis cuidadoso de nuestras células mostró que esta capa creó una barrera potencial para los electrones que se mueven a través de la estructura cristalina. “

Desde 2007, los investigadores de Fraunhofer han seguido desarrollando esta tecnología a pequeños pasos junto con la Universidad Tecnológica de Ilmenau, la Universidad Philipps de Marburgo y la empresa Aixtron, por ejemplo, estableciendo un equipo epitaxial especial y examinando cada una de las capas de la estructura. Estos desarrollos fueron financiados por el Ministerio Federal Alemán de Educación e Investigación (BMBF) como parte del proyecto III-V-Si y el proyecto MehrSi. Un aspecto destacado de la nueva célula solar en tándem es que las capas III-V no se cultivaron sobre un sustrato pulido químico-mecánicamente como en los casos anteriores, sino directamente sobre una oblea de silicio que, tras ser serrada, se trató en un proceso sencillo utilizando únicamente procesos económicos de molienda y grabado. La empresa danesa Topil desarrolló esta oblea de silicio en el proyecto europeo SiTaSol, dando así un paso importante hacia la producción económica de las nuevas células solares multiunión. En el futuro, el objetivo será aumentar aún más la eficiencia y lograr una deposición más rápida de las capas, con un mayor rendimiento, y mejorar así la rentabilidad de la producción. El objetivo final es que la energía fotovoltaica en tándem pueda hacer una importante contribución a la expansión de la energía fotovoltaica, que es necesaria para la transición energética.

Una tecnología clave para la transición energética

En muchas partes del mundo hoy en día, la electricidad de las células solares es la forma más barata de generación de energía. "En Europa, la comunidad de investigación fotovoltaica está trabajando en numerosos conceptos para mejorar aún más la eficiencia de esta tecnología clave que desempeña un papel central en la transición energética", dice el Prof. Dr. Stefan Glunz, Director de la División de Investigación Fotovoltaica del Fraunhofer ISE. "No sólo estamos trabajando para que la producción de células solares de silicio sea más sostenible y rentable, sino que también estamos abriendo nuevos caminos. Nos proponemos alcanzar eficiencias aún mayores utilizando el silicio probado y comprobado en combinación con otros materiales semiconductores y lo hemos logrado en el campo de la fotovoltaica en tándem". Esta tecnología no sólo abre la puerta al futuro de la generación de energía, sino que también es ideal para la electrólisis, que es un proceso de utilizar la electricidad para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. Así, la energía fotovoltaica en tándem puede utilizarse para producir hidrógeno, un medio de almacenamiento de energía y un importante elemento básico para la transición energética.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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