Célula solar de triple unión. Omicrono
Las placas solares que van a romper el mercado: eficientes como las de los satélites pero son 1.000 veces más baratas
Investigadores suizos han presentado en Nature los resultados de una célula fotovoltaica de triple unión que ha alcanzado un 30,2% de eficiencia.
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Captar la energía del Sol y convertirla en electricidad nunca fue tan fácil y barato como ahora. Aún así, las constantes mejoras en tecnología y ciencia de materiales están propiciando avances que permiten desde triplicar su vida útil sin cambiar la instalación hasta mejorar su eficiencia y generar energía también con la lluvia.
El último avance es de los que aspiran a marcar un antes y un después. Investigadores de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) y del Centro Suizo de Electrónica y Microtecnología (CSEM) han logrado un hito histórico en la energía fotovoltaica: una célula solar de triple unión que alcanza una eficiencia certificada del 30,02%, superando el récord anterior, que se situaba en el 27,1%.
Este avance, publicado en la revista Nature, puede ser decisivo en la carrera hacia la descarbonización al ofrecer una energía solar más barata y potente, ya que se acerca a los niveles de los paneles fotovoltaicos que utilizan los satélites espaciales, pero a una fracción de su coste.
Triple unión
Un panel solar convencional está compuesto por una única capa de silicio que convierte la luz del sol en electricidad. Sin embargo, la luz solar abarca un amplio espectro de longitudes de onda, desde el ultravioleta hasta el infrarrojo, y ningún material por sí solo es capaz de aprovecharlas todas con igual eficiencia.
La solución consiste en apilar varias capas de materiales semiconductores distintos, cada una optimizada para absorber una parte diferente del espectro solar. En el caso de esta nueva célula fotovoltaica suiza, se combinan dos capas delgadas de perovskita, un material cristalino de origen mineral con propiedades fotovoltaicas excepcionales, sobre una capa base de silicio, formando así la denominada arquitectura de triple unión.
La versión inicial de 1 cm2 de célula solar de triple unión. Omicrono
La perovskita es especialmente relevante en este contexto. A diferencia del silicio tradicional, es mucho más barata de producir y puede fabricarse en láminas delgadas que absorben rangos del espectro luminoso que el silicio no aprovecha bien.
El equipo de la EPFL tuvo que resolver dos problemas fundamentales que limitaban hasta ahora la eficiencia de las células de triple unión: el bajo voltaje en la capa superior de perovskita y la insuficiente generación de corriente en la capa intermedia.
Para solventarlos, los investigadores introdujeron tres innovaciones técnicas. En primer lugar, añadieron una molécula especial que guía la formación de cristales de perovskita y elimina defectos estructurales, consiguiendo que la capa superior genere un voltaje de 1,4 voltios bajo la luz solar.
En segundo lugar, desarrollaron un nuevo método de fabricación en tres pasos para la célula intermedia que mejora la absorción de la luz infrarroja cercana, la parte del espectro invisible que porta una cantidad considerable de energía.
Por último, incorporaron nanopartículas entre la capa de silicio y la intermedia de perovskita que actúan como espejos, reflejando hacia atrás la luz que no había sido absorbida en un primer paso, y aumentando así la corriente generada.
El resultado fue una célula solar de apenas 1 cm2 con una eficiencia del 30,02%, un dato verificado de forma independiente. El equipo también fabricó un prototipo de 54 cm2, demostrando que la producción industrial puede escalarse.
Un salto cualitativo
Para calibrar la magnitud del avance, hay que tener en cuenta que los paneles solares convencionales de silicio que se instalan en los tejados de las casas en España tienen una eficiencia habitual de entre el 16% y el 18%, mientras que los modelos de alta gama del mercado alcanzan el 23% como máximo.
El récord anterior para esta tecnología de triple unión era del 27,1%, ya de por sí muy superior a los estándares comerciales. Superar la barrera del 30% no es solo una cifra abstracta: implica que una superficie de paneles como los que se instalan en los tejados puede generar considerablemente más electricidad que antes, lo que tiene implicaciones directas en el coste y el espacio necesarios para las instalaciones fotovoltaicas.
Paneles solares en un tejado. Omicrono
El propio director del PV-Lab de la EPFL, Christophe Ballif, pone el logro en perspectiva histórica: "Nuestra primera demostración en 2018 tenía solo un 13% de eficiencia, así que alcanzar más del 30% hoy es un logro extraordinario" . Además, recuerda que las células de triple unión tienen un potencial teórico de eficiencia "muy por encima del 40%", lo que abre la puerta a futuras mejoras aún más ambiciosas.
Un aumento significativo en la eficiencia de las células solares tiene consecuencias en cadena que van mucho más allá del laboratorio. A nivel residencial, significa que con el mismo número de paneles en un tejado se puede generar mucha más electricidad, o bien instalar menos paneles para obtener la misma producción. En entornos urbanos, donde el espacio disponible es limitado, este factor es algo a tener muy en cuenta.
A escala industrial y de red eléctrica, paneles más eficientes permitirán construir plantas solares más compactas, con menor impacto territorial y menor coste por kilovatio-hora generado.
Según los investigadores, esta tecnología podría servir tanto para aplicaciones terrestres como para satélites y naves espaciales, donde hoy se utilizan células basadas en materiales que alcanzan hasta un 37% de eficiencia, pero que cuestan aproximadamente 1.000 veces más por vatio que los paneles diseñados por la EPFL y el CSEM.
Recreación de satélite en el espacio Omicrono
A pesar del optimismo de Kerem Artuk, autor principal del artículo, tanto él como sus compañeros de investigación reconocen que todavía quedan retos importantes por superar antes de que esta tecnología llegue al mercado masivo.
El principal talón de Aquiles de la perovskita ha sido históricamente su sensibilidad a la humedad, el calor y la degradación a largo plazo. A diferencia del silicio, que puede durar más de 25 años en condiciones exteriores, las células de perovskita han demostrado ser más frágiles y vulnerables frente a los elementos, algo en lo que deberán trabajar los ingenieros suizos.
En cualquier caso, el equipo ya trabaja en estrategias para poder fabricar estas nuevas células a gran escala, y en llevar a cabo pruebas de durabilidad e integración en productos comerciales.
"Al demostrar que los materiales de perovskita de bajo coste pueden acercarse al rendimiento de los sistemas fotovoltaicos de grado espacial más avanzados, esta investigación establece un nuevo punto de referencia para la energía fotovoltaica de múltiples uniones", concluye Christian Wolff, jefe de equipo de la EPFL, en un comunicado de prensa.
