Las células fotovoltaicas en su punto álgido
Los investigadores del Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (FhG-ISE), de Alemania, han hecho su sueño realidad antes de lo que esperaban. En enero de 2009 batieron un récord mundial en el sector de las células fotovoltaicas multiunión, con un índice de conversión del 41,24%. Pero creen que podrán ir más lejos, gracias a las células solares equipadas de estructuras multiunión metamórficas. Parece ser que el Sol no ha dicho aún su última palabra.
Source: Fraunhofer ISE Las células fotovoltaicas (FV) convencionales de unión simple de silicio, suficientes para dar energía a nuestros relojes y calculadoras, no son muy eficaces para convertir la energía del espectro solar en electricidad. Estas células fotovoltaicas industriales transforman eficazmente sólo el 17% de dicha energía, mientras que otros tipos de componentes van hasta el 25%.
De ahí que las investigaciones se estén enfocando en el desarrollo de células FV multiunión. Estas células, al estar compuestas por diferentes elementos, como el arsenio de galio, el fosfuro de indio y galio o el germanio, pueden captar una gama más amplia de energía solar. Una estructura multiunión en principio sólo es la acumulación de células de unión simple, pero si se aplican semiconductors distintos, cada una de las uniones convierte diferentes franjas del espectro solar, con un rendimiento más elevado. Desde hace una década, el Instituto Fraunhofer desarrolla células fotovoltaicas multiunión metamórficas, a base de semiconductores de los grupos III-V, idóneos para la conversión de la luz solar en electricidad.
La elaboración de cualquier célula FV se hace a partir de un semiconductor de unión P-N(1). Para obtener un mejor índice de conversión se van acumulando células de diversos materiales, poseyendo cada una de ellas su propia unión P-N. A principios de 2009, el Instituto Fraunhofer obtuvo el récord mundial con una célula compuesta por un substrato de germanio, recubierto con arsenio de galio, y una tercera capa de fosfuro de indio y galio. Según Andreas Bett, responsable del departamento de células solares, la idea de aumentar la eficacia por acumulación no es nueva, pero la clave ha sido utilizar la tecnología adecuada, con materiales de alta calidad.
El truco: el crecimiento cristalino metamórfico
Todos los semiconductores son materiales cristalinos. Estas estructuras periódicas están formadas por capas de átomos separados por una distancia propia del elemento químico utilizado, denominado "constante de red". La capa inferior del "pastel" aquí es de germanio, y si se deposita encima otro material, en principio tiene que ser compatible con el germanio, es decir, tener la misma constante de red. Se obtiene entonces un cristal de alta calidad, que plantea pocos problemas a la hora de convertir la luz solar. Pero si la constante de red difiere, aunque sea ligeramente, se producen fallos locales denominados "dislocaciones" que reducen en gran medida el índice de conversión.
En eso consiste el truco del crecimiento metamórfico del Instituto Fraunhofer, que puso a punto una capa FV inactiva específica, denominada "capa intermedia", en la que quedan confinadas todas las dislocaciones del cristal. Por encima de dicha capa intermedia se deposita cada material de nueva constante de red, lo que proporciona al final un cristal casi sin defectos. Todas las imperfecciones se concentran en una región eléctricamente inactiva de la célula solar, dejando limpias las porciones activas.
El crecimiento cristalino metamórfico utiliza un campo más ancho de semiconductores IIIV en las células FV multiunión. Para lograr un rendimiento óptimo, el espectro solar se subdivide en tres zonas de tamano equivalente mediante materiales con propiedades de absorción apropiadas. La combinación de los materiales metamórficos Ga0.35In0.65P y Ga0.83In0.17As/ Ge está perfectamente adaptada, ya que cada una de las subcélulas de la triple unión genera la misma cantidad de corriente eléctrica, condición esencial para mejorar la eficacia de conversión.
¿Fijarse de nuevo metas más altas?
No era el primer intento de los investigadores del Instituto Fraunhofer. En el 2008 ya habían batido el récord europeo de conversión solar, que pasó del 37,6% al 39,7%, en el espacio de tres meses. El desarrollo de las células de triple unión se realizó en el marco del proyecto FULLSPECTRUM, financiado por el Sexto Programa Marco de Investigación e iniciado en 2003. Los científicos empezaron sus investigaciones con un rendimiento del 32% hasta alcanzar el 35% en la fecha de finalización del proyecto, en septiembre del 2008.
Basándose en estos resultados, Andreas Bett opina que se podría llegar a una eficacia del 42% al 43% en un futuro próximo. "En la etapa siguiente se anadirán uniones suplementarias. Si llegamos a 5 o 6 uniones, podríamos posiblemente acercarnos al 50%. Pero esto requiere el desarrollo de nuevos materiales, lo que tardará un tiempo". Por otro lado, las células FV multiunión de semiconductor III-V ya están en fase de producción industrial. De hecho, la tecnología inventada por el Instituto Fraunhofer fue trasladada a su socio privado, AZUR Space Solar Power, situado en Heilborn (Alemania). La empresa, antigua participante del proyecto FULLSPECTRUM, está a punto de producir esta célula fotovoltaica en masa.
"Estamos convencidos que nuestras células darán pie a una tecnología fotovoltaica de concentración más competitiva y que permitirán disminuir los costes de producción de electricidad de origen solar", concluye Andreas Bett.
Los investigadores del Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (FhG-ISE), de Alemania, han hecho su sueño realidad antes de lo que esperaban. En enero de 2009 batieron un récord mundial en el sector de las células fotovoltaicas multiunión, con un índice de conversión del 41,24%. Pero creen que podrán ir más lejos, gracias a las células solares equipadas de estructuras multiunión metamórficas. Parece ser que el Sol no ha dicho aún su última palabra.
Source: Fraunhofer ISE Las células fotovoltaicas (FV) convencionales de unión simple de silicio, suficientes para dar energía a nuestros relojes y calculadoras, no son muy eficaces para convertir la energía del espectro solar en electricidad. Estas células fotovoltaicas industriales transforman eficazmente sólo el 17% de dicha energía, mientras que otros tipos de componentes van hasta el 25%.
De ahí que las investigaciones se estén enfocando en el desarrollo de células FV multiunión. Estas células, al estar compuestas por diferentes elementos, como el arsenio de galio, el fosfuro de indio y galio o el germanio, pueden captar una gama más amplia de energía solar. Una estructura multiunión en principio sólo es la acumulación de células de unión simple, pero si se aplican semiconductors distintos, cada una de las uniones convierte diferentes franjas del espectro solar, con un rendimiento más elevado. Desde hace una década, el Instituto Fraunhofer desarrolla células fotovoltaicas multiunión metamórficas, a base de semiconductores de los grupos III-V, idóneos para la conversión de la luz solar en electricidad.
La elaboración de cualquier célula FV se hace a partir de un semiconductor de unión P-N(1). Para obtener un mejor índice de conversión se van acumulando células de diversos materiales, poseyendo cada una de ellas su propia unión P-N. A principios de 2009, el Instituto Fraunhofer obtuvo el récord mundial con una célula compuesta por un substrato de germanio, recubierto con arsenio de galio, y una tercera capa de fosfuro de indio y galio. Según Andreas Bett, responsable del departamento de células solares, la idea de aumentar la eficacia por acumulación no es nueva, pero la clave ha sido utilizar la tecnología adecuada, con materiales de alta calidad.
El truco: el crecimiento cristalino metamórfico
Todos los semiconductores son materiales cristalinos. Estas estructuras periódicas están formadas por capas de átomos separados por una distancia propia del elemento químico utilizado, denominado "constante de red". La capa inferior del "pastel" aquí es de germanio, y si se deposita encima otro material, en principio tiene que ser compatible con el germanio, es decir, tener la misma constante de red. Se obtiene entonces un cristal de alta calidad, que plantea pocos problemas a la hora de convertir la luz solar. Pero si la constante de red difiere, aunque sea ligeramente, se producen fallos locales denominados "dislocaciones" que reducen en gran medida el índice de conversión.
En eso consiste el truco del crecimiento metamórfico del Instituto Fraunhofer, que puso a punto una capa FV inactiva específica, denominada "capa intermedia", en la que quedan confinadas todas las dislocaciones del cristal. Por encima de dicha capa intermedia se deposita cada material de nueva constante de red, lo que proporciona al final un cristal casi sin defectos. Todas las imperfecciones se concentran en una región eléctricamente inactiva de la célula solar, dejando limpias las porciones activas.
El crecimiento cristalino metamórfico utiliza un campo más ancho de semiconductores IIIV en las células FV multiunión. Para lograr un rendimiento óptimo, el espectro solar se subdivide en tres zonas de tamano equivalente mediante materiales con propiedades de absorción apropiadas. La combinación de los materiales metamórficos Ga0.35In0.65P y Ga0.83In0.17As/ Ge está perfectamente adaptada, ya que cada una de las subcélulas de la triple unión genera la misma cantidad de corriente eléctrica, condición esencial para mejorar la eficacia de conversión.
¿Fijarse de nuevo metas más altas?
No era el primer intento de los investigadores del Instituto Fraunhofer. En el 2008 ya habían batido el récord europeo de conversión solar, que pasó del 37,6% al 39,7%, en el espacio de tres meses. El desarrollo de las células de triple unión se realizó en el marco del proyecto FULLSPECTRUM, financiado por el Sexto Programa Marco de Investigación e iniciado en 2003. Los científicos empezaron sus investigaciones con un rendimiento del 32% hasta alcanzar el 35% en la fecha de finalización del proyecto, en septiembre del 2008.
Basándose en estos resultados, Andreas Bett opina que se podría llegar a una eficacia del 42% al 43% en un futuro próximo. "En la etapa siguiente se anadirán uniones suplementarias. Si llegamos a 5 o 6 uniones, podríamos posiblemente acercarnos al 50%. Pero esto requiere el desarrollo de nuevos materiales, lo que tardará un tiempo". Por otro lado, las células FV multiunión de semiconductor III-V ya están en fase de producción industrial. De hecho, la tecnología inventada por el Instituto Fraunhofer fue trasladada a su socio privado, AZUR Space Solar Power, situado en Heilborn (Alemania). La empresa, antigua participante del proyecto FULLSPECTRUM, está a punto de producir esta célula fotovoltaica en masa.
"Estamos convencidos que nuestras células darán pie a una tecnología fotovoltaica de concentración más competitiva y que permitirán disminuir los costes de producción de electricidad de origen solar", concluye Andreas Bett.
Nombre: Edymar Gonzalez A
EES
http://ec.europa.eu/research/research-eu/60/article_6022_es.html
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