Empezando por este último, el Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar ISE es sinónimo de vanguardia en la investigación y desarrollo en energía fotovoltaica desde hace más de cuatro décadas, con sus científicos e ingenieros trabajando en diversos aspectos, desde la mejora de la eficiencia de los paneles solares hasta el desarrollo de nuevos materiales y métodos de fabricación.
Una de sus mayores contribuciones es el desarrollo de células de alto rendimiento y su correspondiente y significativa mejora de la eficiencia de conversión de la radiación solar en electricidad. Esto ha permitido una mayor generación de energía a partir de la misma cantidad de luz solar, lo que ha hecho que la energía fotovoltaica sea más competitiva en términos de costos. Además, el Instituto Fraunhofer trabaja en el desarrollo de tecnologías emergentes como las células solares de película delgada, las células solares de perovskita y las células solares orgánicas. Todas ellas tienen el potencial de ser más eficientes y más baratas de producir que las células solares convencionales de silicio.
El Fraunhofer también desempeña un papel fundamental en la transferencia de tecnología y conocimientos al sector industrial, colaborando con empresas y organizaciones en la implementación de proyectos solares a gran escala y en la optimización de los procesos de fabricación. Uno de los último ejemplos de esta colaboración lo encontramos en la tecnología de color MorphoColor® desarrollada por el centro alemán y que comercializará la empresa suiza Megasol Energie. Esta tecnología permite disponer de módulos solares en diferentes colores como alternativa a los clásicos negros y azules y, a diferencia de lo que ocurría hasta ahora, que el panel mantenga, como mínimo, el 90% de su eficiencia. Todo ello la hace especialmente atractiva para su integración en los edificios y abre nuevas posibilidades a su uso en los monumentos históricos. Además, los vidrios MorphoColor® se pueden fabricar en diferentes tamaños y formas y pueden utilizarse para colectores solares térmicos de color integrados en edificios o colectores PVT.
Otro ejemplo reciente de esta buena relación entre los público y lo privado lo encontramos en la colaboración del Instituto Fraunhofer con la empresa estadounidense Solaria, que va a ofertar tejas solares que utilizan células de contacto pasivado de óxido de túnel (TOPCon) desarrolladas por el instituto germano mediante un nuevo método de separación térmica por láser, lo que las hace más eficientes que las células construidas con métodos convencionales de rayado láser y hendido mecánico. Son solo dos referencias de las múltiples investigaciones y desarrollos de este gran centro, que también está desempeñando un papel muy importante en el avance de la energía solar térmica, el almacenamiento de energía, la tecnología de hidrógeno y conceptos energéticos integrales.
Pionero entre los pioneros
El Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid (IES-UPM) es otro referente mundial en el campo de la energía solar. Fundado a finales de los años 70 por el profesor Antonio Luque, que entre muchos otros premios recibió en 1992 el Becquerel, (equivalente al premio Nobel en fotovoltaica), el IES-UPMl es, junto al Solar Energy Research Institute de los Estados Unidos, el centro de I+D especializado en energía solar más veterano del mundo.
Enfocado en la investigación, desarrollo tecnológico, formación y divulgación, de este centro salió la primera célula solar fotovoltaica de España. Desde entonces, y pese a sus modestas dimensiones, el IES ha hecho contribuciones punteras en la tecnología de células solares de silicio, los sistemas de concentración fotovoltaica, las células de materiales III-V (incluyendo las de unión múltiple) y los nuevos conceptos en células solares más eficientes junto con los cálculos cuánticos asociados a ellos. Entre sus múltiple logros destacan sus investigaciones sobre células de banda intermedia, un invento del IES propuesto en 1997; o el récord de eficiencia mundial (32,6%) que batían en 2008 sus células de GaInP/GaAs a la elevadísima concentración de 1.000 soles.
Comprometido, también, con la transferencia industrial de la tecnología solar, de esta actividad nació en 1981 la malagueña Isofotón, que en los primeros años del siglo XXI era la mayor fábrica de células solares en Europa. Más tarde se creó el ETSI-UPM para explotar, con la petrolera BP, los concentradores Euclides con células de silicio. ISFOC, un instituto con estructura empresarial para el desarrollo de grandes plantas de concentración fotovoltaica, llegó después, así como LPS, que ha vendido sus diseños ópticos a compañías como Boeing en EEUU o JVC en Japón. INSPIRA es otra startup nacida en el IES. Esta compañía, vendida a la americana Solfocus, se convirtió en referente mundial para sistemas de seguimiento para concentradores. Luego llegó BSQ Solar, que produce sistemas completos de concentración, en muchos casos con tecnología del IES; o CENTESIL, que ha hecho un enorme esfuerzo para desarrollar la tecnología de ultra-purificación de silicio solar.
En el momento actual, el IES-UPM tiene en marcha una prometedora investigación para el desarrollo de una nueva tecnología de almacenamiento de energía basada en el calor latente del silicio fundido y su recuperación mediante el efecto termo-fotovoltaico. Otra de sus líneas de investigación persigue avanzar en la tecnología de concentración mediante sistemas de medida e instrumentos de caracterización de estos módulos. La búsqueda y mejora de materiales de banda intermedia sigue siendo otra línea abierta; como también lo es la integración de la solar fotovoltaica en las redes de generación distribuida; o sus investigaciones sobre la fiabilidad de la solar fotovoltaica en el ámbito rural para asegurar su sostenibilidad a largo plazo.
Cada vez más eficientes
El CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas) es un organismo público español de investigación de excelencia en materias de energía y de medio ambiente. Con líneas de trabajo en diferentes tecnologías renovables, como la bioenergía y la eólica, cuenta con uno de los principales laboratorios solares del mundo: la Plataforma Solar de Almería (PSA), referente mundial en la energía solar termo-eléctrica, pero también en la descontaminación de aguas con energía solar.
En relación a la solar fotovoltaica, el CIEMAT investiga en dispositivos de lámina delgada, tanto en los basados en silicio depositado (dispositivos pin, de heterounion, etc.) como en materiales policristalinos (principalmente basados en CIS) y capas OCT. Destaca, asimismo, su cada vez mayor actividad en la calibración de sensores de irradiancia solar y de células solares, así como la implementación de nuevas técnicas de medida de células y módulos fotovoltaicos (termografía, LBIC, fotoelectroluminiscencia, respuesta espectral, etc.). Otra de sus líneas de investigación más destacas se centra en la circularidad de los módulos solares (proyecto Fotovolv3R), considerando el reciclaje, la reparación y la reutilización como los pilares para alargar el ciclo de vida de los módulos.
El CIEMAT ofrece, además, servicios técnicos de I+D a empresas del sector y la calibración de módulos de referencia para fábrica y otros laboratorios, y ha emprendido una nueva actividad en medidas por muestreo de módulos para asegurar la potencia en grandes plantas, así como evaluación de centrales in situ. Asimismo, sus investigadores están contribuyendo de manera muy significativa en el campo de la eficiencia energética en la edificación mediante la consideración de diseños de arquitectura sostenible y la integración de energías renovables.
El Centro Nacional de Energías Renovables (CENER) es otro referente de reconocido prestigio, tanto dentro como fuera de nuestras fronteras. Desde sus instalaciones situadas en Navarra desarrolla investigación aplicada en energías renovables y presta soporte tecnológico a empresas e instituciones energéticas en cinco áreas: eólica, solar térmica y solar fotovoltaica, biomasa, transición energética en las ciudades, e integración en red de la energía.
Actualmente, está desarrollando 52 proyectos europeos de I+D+i, ejerciendo en 14 de ellos como coordinador. En el terreno que nos ocupa, la solar fotovoltaica, su objetivo principal es la reducción del coste del kWh producido con esta tecnología, lo que viene a ser el punto intermedio entre la investigación básica y los entornos industriales de fabricación.
Uno de los proyectos, Cecom4PV, persigue el desarrollo, a partir de materiales estándar de base cerámica, nuevos productos de alta eficiencia energética para su uso en la envolvente de los edificios (cubiertas, tejas), que integren la generación de energía eléctrica a partir de elementos fotovoltaicos, a fin de conseguir que los edificios sean de consumo energético casi nulo. Un proyecto en el que también participa ISFOC, compañía, que como ya hemos dicho, tuvo su origen en el IES-UPM.
Titan-PV es otro proyecto destacado del CENER, centrado, en su caso, en el desarrollo de tintas metálicas avanzadas para el sector de las células solares fotovoltaicas de silicio cristalino. La iniciativa Viperlaba busca, por su parte, fomentar el nacimiento de una industria de fabricación de solar fotovoltaica europea basada en perovskitas, con la finalidad de que la UE recupere el liderazgo mundial a lo largo de toda la cadena de valor de la energía solar.
El centro complementa esta actividad de I+D+i con servicios de validación y certificación de componentes, incluida la de plantas fotovoltaicas para generación de energía eléctrica. Para ello, cuenta con equipos de última generación tanto en los aspectos de prueba de componentes (módulos, inversores, seguidores…), como en el ámbito de la investigación en tecnología de materiales y procesos para fabricación de células fotovoltaicas.
Placas tan finas como el papel y otros avances
Los avances que se están produciendo en la energía solar tienen muchos más actores (públicos y privados) y prometen que, en un momento cada vez más cercano, las placas encargadas de convertir la radiación solar en energía sean tan finas como un papel y cada vez más baratas de fabricar. Todo apunta a que las pinturas fotovoltaicas y los dispositivos imprimibles en todo tipo de textiles a precios aceptables serán, también una realidad muy pronto. Ya hemos visto que la mejora de las placas solares bifaciales y el uso de la perovskita como material absorbente son otras líneas de investigación. Asimismo, se está investigando el uso de polisilicona cargada negativamente para incrementar el rendimiento de cada célula y así gastar menos en construirlas; incluso en desarrollar barreras acústicas solares para reducir los niveles de ruido y, al mismo tiempo, generar energía.
Son solo algunos ejemplos que muestran el gran recorrido que tiene aún por delante la solar fotovoltaica, tanto en su posible evolución como en las aplicaciones. Si nos detenemos en los resultados obtenidos hasta la fecha con algunas de estas investigaciones punteras, vemos, por ejemplo, que en el campo de los nuevos materiales, investigadores de la Universidad de Uppsala (Suecia) han logrado una eficiencia del 11,2% en una célula solar de calcopirita (CuGaSe2 o CGSe) utilizando plata para mejorar el crecimiento del grano y la calidad del cristal en el absorbedor del dispositivo. En Japón, la empresa Kaneka ha desarrollado una célula solar en tándem de dos terminales (2T), perovskita-cristalino, utilizando una oblea de silicio industrial Czochralski (CZ) de 145 μm de espesor, con la que han logrado una eficiencia del 29,2%, la mayor alcanzada nunca con un dispositivo de silicio CZ. Otra referencia –hay muchas más– la encontramos en India, donde Investigadores del Instituto Nacional de Tecnología (NIT) de Silchar (Assam) han diseñado una célula solar de perovskita de yoduro de formamidinio y estaño (FASnI3) con una eficiencia potencial de conversión de energía del 31,57%.
También se han fabricado paneles solares a partir de cultivos de desecho que absorben la luz ultravioleta incluso en días nublados, y hasta se han creado "paneles solares nocturnos" que funcionan incluso cuando se ha puesto el sol. Otras líneas de investigación están relacionadas con los inversores, el almacenamiento o la hibridación de plantas, como ha hecho Ingeteam con su nuevo sistema que permite hibridar parques eólicos con plantas fotovoltaicas y sistemas de almacenamiento de energía en baterías. Con ello, al operador del sistema eléctrico le resulta mucho más fácil gestionar el funcionamiento de varias plantas de manera simultánea y controlar el suministro eléctrico del hub renovable en el punto de conexión.
Con la mirada puesta mas lejos, algunos científicos chinos exploran incluso la posibilidad de instalar una gran estación de energía solar en órbita, a nada menos que 36.000 kilómetros de nuestro planeta. Y dicen que el dispositivo podría empezar a generar energía antes de 2040.
* Este reportaje se puede leer también en ER222 (junio 2023)
