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Célula solar de película fina

Célula solar de película fina

Una célula solar de película delgada es una segunda generación de células solares que se hace mediante el depósito de una o más capas delgadas, o de película delgada (TF) de material fotovoltaico sobre un sustrato, tal como vidrio, plástico o metal.

El grosor de la película varía desde unos pocos nanómetros (nm) hasta decenas de micrómetros (µm). La película es mucho más delgada que la tecnología rival de la película delgada, la celda solar de silicio cristalino convencional (c-Si) de primera generación, que utiliza obleas de hasta 200 µm de espesor. Esto permite que las células de película delgada sean flexibles y de menor peso. Se utiliza en la construcción de sistemas fotovoltaicos integrados y como material de acristalamiento fotovoltaico semitransparente que se puede laminar en ventanas. Otras aplicaciones comerciales utilizan paneles solares de película delgada rígida (intercalados entre dos paneles de vidrio) en algunas de las centrales fotovoltaicas más grandes del mundo.

La tecnología de película delgada siempre ha sido más barata pero menos eficiente que la tecnología convencional de c-Si. Sin embargo, ha mejorado significativamente con los años. La eficiencia de la celda de laboratorio para CdTe y CIGS ahora supera el 21 por ciento, superando al silicio multicristalino, el material dominante utilizado actualmente en la mayoría de los sistemas solares fotovoltaicos. Las pruebas de vida acelerada de los módulos de película delgada en condiciones de laboratorio midieron una degradación algo más rápida en comparación con el PV convencional, mientras que generalmente se espera una vida útil de 20 años o más. A pesar de estas mejoras, la cuota de mercado de la película delgada nunca alcanzó más del 20 por ciento en las últimas dos décadas y ha disminuido en los últimos años a alrededor del 9 por ciento de las instalaciones fotovoltaicas en todo el mundo en 2013.

Otras tecnologías de película delgada que aún se encuentran en una etapa inicial de investigación en curso o con disponibilidad comercial limitada a menudo se clasifican como células fotovoltaicas emergentes o de tercera generación e incluyen orgánicos y sensibilizados por colorantes, así como puntos cuánticos, sulfuro de cobre zinc estaño, nanocristales, micromorfos y células solares de perovskita.

Tipos de células fotovoltaicas de capa delgada

Muchos de los materiales fotovoltaicos se fabrican con diferentes métodos de deposición en una variedad de sustratos. Las células solares de película delgada generalmente se clasifican de acuerdo con el material fotovoltaico utilizado. Según estos criterios se encuentran los siguientes tipos de células fotovoltaicas de capa delgada.

  • El silicio amorfo (a-Se) , y otras siliconas de película delgada (TF-Se)
  • Telurio de cadmio (CdTe)
  • Galio indio y cobre semenio (CIS o CIGS )
  • Células solares sensibles al color (DSC) y otras células solares orgánicas.

Telurio de cadmio

El uso de telururo de cadmio en la producción de películas delgadas es la tecnología de película delgada más avanzada. Aproximadamente la mitad de la producción mundial de paneles fotovoltaicos y más de la mitad del mercado de películas delgadas están en manos de esta tecnología. La eficiencia del celular in vitro ha aumentado dramáticamente en los últimos años y está en línea con la película delgada CIGS y cercana a la eficiencia del silicio multicristalino. El telururo de cadmio también tiene el tiempo de recuperación de energía más bajo de todas las tecnologías de producción en masa, y en situaciones deseables puede ser tan corto como ocho meses.

Si bien las preocupaciones ambientales sobre la toxicidad del cadmio pueden remediarse completamente reciclando cadmio al final de su período, todavía hay dudas sobre la tecnología y la opinión pública es escéptica. El uso de materiales escasos también puede ser un problema para la viabilidad económica de la tecnología de película delgada de cadmio.

Galio indio y cobre semenio

Los posibles compuestos de los elementos del grupo XI, XIII, XVI en la tabla periódica fotovoltaica son: cobre, plata, oro, aluminio, galio, indio, silicio, selenio, teluro. Una célula fotovoltaica de selenio, galio o CIGS utiliza un adsorbente de selenio, galio, indio y cobre, los otros tipos de galio libre se abrevian CIS.

Esta tecnología es una de las tres corrientes principales de tecnología de película delgada, las otras dos son telururo de cadmio y silicio amorfo, que tiene una eficiencia de laboratorio del 5% y una cuota de mercado del 5%.

El silicio amorfo

El silicio amorfo es una forma múltiple de silicio no cristalino y ha sido la tecnología de película delgada más avanzada hasta la fecha. Si bien las células fotovoltaicas CIS y CdTe han funcionado con éxito in vitro, la industria todavía se está centrando en las células de película delgada basadas en silicio.

Los productos basados ​​en silicio son menos problemáticos que los productos CIS y CdTe, por ejemplo, los problemas de toxicidad y humedad de las células CdTe y la baja producción de productos CIS no surgen debido a la complejidad de los materiales asociados con los productos de silicio. Además, no hay objeción al uso de silicio estándar como resultado de la resistencia política al uso de materiales no verdes en la producción de energía solar. Los módulos de silicio se dividen en tres categorías:

  • Células fotovoltaicas de silicio amorfo
  • Células fotovoltaicas tándem multicristalinas
  • Película delgada de silicio multicristalino sobre vidrio

Eficiencias de la célula fotovoltaica de película delgada

Las mejoras incrementales en la eficiencia comenzaron con la invención de la primera célula solar de silicio moderna en 1954. En 2010, estas mejoras constantes habían dado como resultado módulos capaces de convertir del 12 al 18 por ciento de la radiación solar en electricidad. Las mejoras en la eficiencia han seguido acelerándose en los años transcurridos desde 2010, como se muestra en el cuadro adjunto.

Las celdas hechas de materiales más nuevos tienden a ser menos eficientes que el silicio a granel, pero su producción es menos costosa. Su eficiencia cuántica también es menor debido al número reducido de portadores de carga recolectados por fotón incidente.

El rendimiento y el potencial de los materiales de película delgada son altos, alcanzando eficiencias celulares del 12-20%; prototipos de eficiencias del módulo del 7 al 13%; y módulos de producción en el rango del 9%. El prototipo de celda de película delgada con la mejor eficiencia produce 20.4% (First Solar), comparable a la mejor eficiencia de prototipo de celda solar convencional de 25.6% de Panasonic.

La frontera solar ha logrado un nuevo récord de eficiencia de células solares de película delgada del 22,3%, el proveedor de energía solar cis más grande del mundo. En una investigación conjunta con la Organización de Desarrollo de Nueva Energía y Tecnología Industrial (NEDO) de Japón, Solar Frontier logró una eficiencia de conversión del 22.3% en una celda de 0.5 cm 2 utilizando su tecnología CIS. Este es un aumento de 0.6 puntos porcentuales sobre el récord anterior de película delgada de la industria de 21.7%.

Energía fotovoltaica emergente

Una célula solar experimental basada en silicio desarrollada en los Laboratorios Nacionales Sandia

El Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) clasifica una serie de tecnologías de película delgada como fotovoltaica emergente; la mayoría de ellas aún no se han aplicado comercialmente y todavía están en la fase de investigación o desarrollo. Muchos usan materiales orgánicos, a menudo compuestos organometálicos, así como sustancias inorgánicas. A pesar de que sus eficiencias habían sido bajas y la estabilidad del material absorbente era a menudo demasiado corta para aplicaciones comerciales, se invierte mucha investigación en estas tecnologías, ya que prometen lograr el objetivo de producir bajo costo y alta eficiencia. células solares.

La energía fotovoltaica emergente, a menudo llamada células fotovoltaicas de tercera generación, incluye:

  • Celda solar de cobre zinc estaño sulfuro (CZTS) y derivados CZTSe y CZTSSe
  • Célula solar sensibilizada por colorante, también conocida como "célula de Grätzel"
  • Célula solar orgánica
  • Celda solar de perovskita
  • Célula solar de punto cuántico

Especialmente los logros en la investigación de las células de perovskita han recibido una gran atención por parte del público, ya que sus eficiencias de investigación recientemente se dispararon por encima del 20 por ciento. También ofrecen un amplio espectro de aplicaciones de bajo costo. Además, otra tecnología emergente, el concentrador fotovoltaico (CPV), utiliza células solares de unión múltiple de alta eficiencia en combinación con lentes ópticas y un sistema de seguimiento.

Absorción de la radiación solar por parte de la célula solar de película delgada

Se han empleado múltiples técnicas para aumentar la cantidad de luz que ingresa a la célula y reducir la cantidad que escapa sin absorción. La técnica más obvia es minimizar la cobertura de contacto superior de la superficie celular, reduciendo el área que impide que la luz llegue a la célula.

La luz de longitud de onda larga débilmente absorbida puede acoplarse oblicuamente al silicio y atraviesa la película varias veces para mejorar la absorción.

Se han desarrollado múltiples métodos para aumentar la absorción al reducir la cantidad de fotones incidentes que se reflejan lejos de la superficie celular. Un recubrimiento antirreflectante adicional puede causar interferencia destructiva dentro de la celda al modular el índice de refracción del recubrimiento de la superficie. La interferencia destructiva elimina la onda reflectante, haciendo que toda la luz incidente entre en la celda.

El texturizado de superficie es otra opción para aumentar la absorción, pero aumenta los costos. Al aplicar una textura a la superficie del material activo, la luz reflejada puede refractarse para golpear la superficie nuevamente, reduciendo así la reflectancia. Por ejemplo, la textura de silicio negro por grabado iónico reactivo (RIE) es un enfoque efectivo y económico para aumentar la absorción de células solares de silicio de película delgada. Un reflector posterior con textura puede evitar que la luz se escape por la parte posterior de la celda.

Además de la textura de la superficie, el esquema de captura de luz plasmónica atrajo mucha atención para ayudar a mejorar la fotocorriente en las células solares de película delgada. Este método utiliza la oscilación colectiva de electrones libres excitados en nanopartículas de metales nobles, que están influenciadas por la forma de las partículas, el tamaño y las propiedades dieléctricas del medio circundante.

Además de minimizar la pérdida reflectante, el material de la célula solar en sí puede optimizarse para tener una mayor probabilidad de absorber un fotón que lo alcanza. Las técnicas de procesamiento térmico pueden mejorar significativamente la calidad del cristal de las células de silicio y, por lo tanto, aumentar la eficiencia. La capa de células de película delgada para crear una célula solar de unión múltiple también se puede hacer. El intervalo de banda de cada capa se puede diseñar para absorber mejor un rango diferente de longitudes de onda, de modo que juntas puedan absorber un mayor espectro de luz.

Un mayor avance en consideraciones geométricas puede explotar la dimensionalidad del nanomaterial. Las grandes matrices paralelas de nanocables permiten largas longitudes de absorción a lo largo de la longitud del cable mientras mantienen cortas longitudes de difusión de portadores minoritarios a lo largo de la dirección radial. Agregar nanopartículas entre los nanocables permite la conducción. La geometría natural de estas matrices forma una superficie texturizada que atrapa más luz.

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Última revisión: 26 de septiembre de 2019