El instituto Fraunhofer ISE lleva 40 años realizando investigaciones de vanguardia en energía fotovoltaica. Continuamente han obtenido células con eficiencias récord de diferentes clases de materiales y ham realizado importantes aportaciones para reducir los costes de la electricidad solar, que ya es la tecnología de generación de energía más barata.
Con el objetivo de reducir aún más la superficie requerida para las instalaciones fotovoltaicas y el uso de materiales, Fraunhofer ISE se está enfocando en la energía fotovoltaica en tándem. Esta tecnología de células permite superar los límites de eficiencia tradicionales combinando selectivamente diferentes materiales de células solares. Los investigadores de Friburgo (Alemania) han logrado establecer un nuevo récord mundial con una célula en tándem monolítica hecha de semiconductores III-V y silicio.
La nueva célula solar monolítica de triple unión, o más específicamente, una célula solar en tándem III-V/Si, convierte el 35,9% de la luz solar en energía eléctrica. Este valor medido bajo el espectro terrestre AM1.5g, establece un nuevo récord mundial y demuestra el potencial de la energía fotovoltaica en tándem basada en silicio. En la nueva célula, las capas de semiconductores III-V están conectadas directamente a la subcélula de silicio a nivel atómico. Desde el exterior, la célula de registro se asemeja a una célula solar convencional de dos terminales.
Esta célula de dos terminales logra la misma eficiencia que las mejores célula solares de cuatro terminales con estructuras apiladas mecánicamente, según lo publicado conjuntamente por NREL, CSEM y EPFL en 2017. “El uso de un nuevo semiconductor compuesto, arseniuro de galio e indio (GaInAsP) para la célula del medio ha sido un paso clave para mejorar la eficiencia”, dice Patrick Schygulla, estudiante de doctorado en el Departamento de Tecnología Fotovoltaica y Concentradora III-V en el Fraunhofer ISE. “El nuevo material nos permitió mejorar aún más la vida útil de los portadores de carga y así lograr un voltaje de celda más alto”.
Reducir sus costes de producción
Las aplicaciones iniciales para células en tándem III-V/Si de alta eficiencia se encuentran donde la generación de energía por área juega un papel importante, por ejemplo, en aviones y drones eléctricos. Hoy en día, los costes de producción de las nuevas células siguen siendo significativamente más altos que los de las células solares de silicio cristalino de unión simple convencionales. Esto se debe a la compleja etapa de epitaxia de las capas III-V y a los muchos procesos de semiconductores adicionales necesarios para fabricar las células. Los investigadores de Fraunhofer ISE están trabajando intensamente para hacer que la producción sea más rentable en el futuro y, por lo tanto, también abordar el mercado fotovoltaico terrestre.
“La combinación de materiales semiconductores III-V con silicio es uno de los enfoques que estamos siguiendo con estructuras en tándem (es decir, la combinación de diferentes materiales de alto rendimiento) para lograr una mayor eficiencia de las células solares”, explica Andreas Bett, director del Fraunhofer ISE. “Pasarán algunos años antes de que se fabriquen módulos con este tipo de células solares. No obstante, este es un camino con visión de futuro en el contexto de la expansión fotovoltaica, necesaria para un suministro de energía sostenible”.
El desarrollo de las células solares en tándem III-V/Si ha sido financiado por el gobierno alemán para el proyecto PoTaSi – ‘Demostración del potencial de las células solares en tándem monolíticas hechas de semiconductores III-V y silicio’ y la Fundación Heinrich Böll.
