PROSPECTIVA
ISSN: 1692-8261
Universidad Autónoma del Caribe
Colombia
Oyola, J.S.; Gordillo G, Gerardo
Estado del arte de los materiales fotovoltaicos y de la tecnología solar fotovoltaica
PROSPECTIVA, vol. 5, núm. 2, julio-diciembre, 2007, pp. 11-15
Universidad Autónoma del Caribe
Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=496251110003
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Estado del arte de los materiales fotovoltaicosy de la tecnología solar fotovoltaica
J.s. Oyola " Gerardo Gordillo G ..
• Estudiante postrado. Oepartamento de Física, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá[email protected] (Autor corresponsal)
•• Profesor titular. Oepartamento de Física, Universidad Nacional de Colombia, Bogotággordí[email protected]
Recibido: Julio 15 de 2007 - Aceptado: Septiembre 30 de 2007
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RESUMEN
Este artículo presenta el estado actual tanto del desarrollo de los materiales fotovoltaicos incluyendomateriales emergentes entre los que se encuentran los polímeros conductores como el de las tecnologíasusadas en la fabricación de celdas y módulos fotovoltaicos. Se hará énfasis en los avances tecnológicoslogrados en el desarrollo de dispositivos y módulos fotovoltaicos fabricados con tecnologías de primeraysegunda generación. También se presenta una visión fu turista sobre e) desarrollo de nuevos materialesfotovoltaicos que actualmente están en etapa de diseño, pero que se espera puedan ser fabricados usando la denominada tecnología de tercera generación.
Palabras clave: Tecnología fotovoltaica, celdas solares, materiales fotovoltaicos, tecnología de tercerageneración.
ABSTRACT
This paper present an overview of the state of the art of the photovoltaics materials including emergentmaterials like conductor polymers as well as of the technologies used for fabrication of solar cells andphotovoltaic modules. It will emphasized in the technological advances achieved for developing photovoltaic devices and solar modules fabricated using ñrst generation and second generation technologies.With materials used to fabrica te photovoltaic devices based on crystalline silicon as well as of devicesbased on thin films, which includes emergent materials such as conductor polymers. A futurist overviewof the new photovoltaic materials is also presented. This materials are yet in the design stage, however itis hoped than they can be fabricated using third generation technologies.
Key words: Photovoltaic technology, photovoltaic materials, solar cells, third generation technology.
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INTRODUCCIÓN
La tecnología solar fotovoltaica tuvo su inicio en1954, cuando investigadores de los laboratorios Bellde los Estados Unidos desarrollaron la primera celdasolar de estado sólido usando silicio cristalino comomaterial fotovo1taico [1]. Esta tecnología, denominadade prímera generación, fue usad.a inicialmente para generar la potencia eléctrica requerida en los programasespaciales, sin embargo a comienzos de la década del70 se inició un gran programa encaminado al desarrollo de nuevos materiales fotovoltaicos con el propósitode fabricar celdas solares para uso terrestre. Este pro-
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grama incluía además de silicio, otra gran variedad demateriales fotovoltaicos que permitieron fabricar celdas usando una nueva tecnología conocida como decapa delgada o de segunda generación. A finales de ladécada del 80 se inició el desarrollo de un nuevo tipode materiales fotovoltaicos denominados emergentes,que permitieron fabricar las denominadas celdas orgánicas basadas en polímeros conductores [2].Se han hecho enormes avances tecnológicos que hanconducido a un aumento significativo de la eficienciade conversión de las celdas solares sin embargo estaestá limitada por el hecho de que en celdas convencionales solo se aprovecha una parte del espectro solar.
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Para aprovechar mejor el espectro solar se han venidodesarrollando las denominadas celdas multijuntura otandem [3], que están constituidas por dos o más celdas apiladas una encima de otra.Recientemente se dio inicio al diseño de nuevos materiales fotovoltaicos clasificados como de tercera generación que no han sido aún sintetizados en el laboratorio, pero que podrían ser fabricados usando nuevastecnologías.
2. ESTADO ACTUAL DE LOS MATERIALES Y DELA TECNOLOGíA SOLAR FOTOVOLTAICA
Los máximos valores de eficiencia de conversión quehasta el momento se han reportado para celdas y submódulos fabricados con tecnologías de primera y segunda generación, incluyendo dispositivos tandemy los fabricados a partir de materiales emergentes sepueden visualizar en la Fig. 1 [4].
Figura 1: Eficiencia de conversión de celdas solares y submódulos fabricados con diferentes tecnologías. Mediciones realizadas bajo una irradiancia AM1.5 (100 W1m2).
Efficiency (%)
, Mi
o <.ro
SiliconSi t'rystalline J
1Si (Inultlcrystalline J
Si (tilln-film transferl l' I@Si ¡tilin-film submodule I \' n
III-VCellsGaAs (crystalline I
GaAs ¡Ulln-f¡1111I
GaAs (mlllucrystalline iInP ¡crystallinei
Thin-film chalcogenideCIGS (cell¡
CIGS (sllbl11odule)CdTe(cell¡
.A.morpholls/nanocrystallíne SI
Si I amorphous,Si lI1anocrystalline I
Photochel11lcalOye sensitised
Oye sensitised (sllbl11odule I -- ~:;.~
OrganlcOrganic polymery -
MlIltijllnc1Jon devlcesGalnP/GaAs/Ge
GalnP/GaAsGaAs/CIS ¡tilin-fill11I
a-Siímc-Si (tilín submodule 1
<:> "o 1)Ul
= i
wo
wU>
En la Figura 1 se compara la eficiencia máxima reportada hasta el momento para celdas y submódulos, fabricados con diferentes materiales y tecnologías. Deestos resultados se destacan los siguientes hechos:
La más alta eficiencia lograda con celdas solares(de una juntura) es del 25.1 % la cual fue obtenida con celdas basadas en GaAs monocristalino[5]; con celdas basadas en películas delgadas deGaAs se han logrado eficiencias del 24.5%, la cuales también la máxima eficiencia lograda con celdas fabricadas en forma de película delgada. Desafortunadamente el costo de celdas fabricadascon esta tecnología es muy alto, lo cual hace que
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este tipo de disp'ositivos sea usado básicamenteen aplicaciones espaciales.La máxima eficiencia reportada para celdas solares (de una juntura) de uso terrestre es del 24.5 %y corresponde a celdas basadas en Si monocristalino [6]. Este resultado fue obtenido con celdasfabricadas con una estructura denominada PERL(Passivated emitter rear locally diffused) que incorpora novedosos conceptos tecnológicos, tantoen el diseño como. en la estructura del dispositivoPIN que originalmente se desarrolló en los Laboratorios Bell. En este caso la eficiencia máxima reportada para celdas de Si cristalino fabricada con
tecnología de película delgada es del 16.6% [7], lacual fue obtenida usando capas de Si de 45 ~m deespesor, depositadas usando la denominada tecnología de transferencia.Con celdas solares fabricadas con tecnología depelícula delgada a partir de chalcogenuros, lamáxima eficiencia reportada es del 19.2 % [8], lacual fue obtenida con celdas basadas en el compuesto Cu (In, Ga) Se2 (CIGS). Un aspecto destacable de este tipo de celdas, es que a nivel desubmódulos se han reportado eficiencias del 16.6% [9] que es igual a la eficiencia reportada paraceldas basadas en películas delgadas de Si. Inembargo, el costo de fabricación de las celdas deCIGS es mucho menor que el de las de Si.Con celdas solares basadas en silicio amorfo hidrogenado (a-Si: H) y silicio nanocristalino, fabricadas con tecnología de película delgada la máxima eficiencia reportada es del 9.55 y 10.1 % respectivamente [10,11]. La eficiencia de este tipo deceldas es baja, sin embargo estas han sido comer-
.cializadas masivamente por industrias japonesas,principalmente para productos de consumo talescomo calculadoras de bolsillo y relojes digitales.Dentro de las tecnologías de segunda generaciónse encuentran dos nuevos dispositivos, fabricados a partir de materiales considerados emergentes debido a que surgieron más recientemente.El primero de estos es basado en óxido de titanionanocristalino sensibilizado con un colorante orgánico. Con este material se fabrican las denominadas celdas fotoquímicas o celdas sensibilizadascon colorantes, con las cuales se han logrado eficiencias del 10.4 % [12]. El segundo dispositivodenominado celda orgánica, es fabricado a partirde materiales orgánicos entre los que se incluyenlos denominados polímeros conjugados. Con estetipo de celdas se han reportado eficiencias del orden del5 % [2].En relación con las celdas fabricadas con estructura tandem (multijuntura), las máxima eficienciareportada es del 35.2 % [13], la cual fue logradacon un dispositivo de tres junturas, donde comocelda superior se uso una celda basada en GaInP,en la región intermedia una basada en GaInAs yuna celda de Ge fue usada como celda inferior.Para celdas tandem de dos jun turas, la máximaeficiencia reportada es de 30.3% [14]
En la tabla 1 se presentan resultados de las máximaseficiencias reportadas para celdas (con estructura tandem y de una juntura) y para módulos, medidas bajocondiciones de radiación solar .AM 1.5 (1000 W1m2)y bajo alta radiación solar obtenida mediante concentración de esta [4]. La radiación solar global bajo condiciones estándar (AM 1.5, 1000 W1m2) es definidacomo un sol.
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Vol. 5, No. 2, Julío - Die de 2007
Tabla 1: Eficiencias máximas reportadas para celdas(de una juntura y tándem) y módulos, medidas bajocondiciones de radiación AM1.5 (1 sol) y con concentración de la radiación solar.
Clasificación Área Intensidad rad. Efic.(cm2) solar (soles) (%)
CELDAS (una juntura)
Si - Cristal. 4 1 24.7Si - Cristal. 1 92 27.6GaAs - Cristal. 3.9 1 25.1GaAs - Cristal. 0.2 216 27.8CIGS - P. dela. 1 1 19.2CIGS - P. delg. 0.1 14 21.5CELDAS TándemGalnP/GaAs/Ge 3.9 1 32GalnP/GaAs/Ge 0.26 333 34.7GalnP/GalnAs/Ge 1 1 35.2GalnP/GalnAs/Ge 0.3 179 39.3MODULaSSi - Cristal. 778 1 22.7Si - Cristal. 1875 80 20.3Si - P, dele:¡, 661 1 8.2CIGS - P. delg. 3459 1 13.4a - Si/a - SiGe
905 1 10.4(Tándem
Los resultados de la tabla 1 muestran que cuando lasceldas y los módulos se iluminan con radiación solarsometida a concentración, éstos incrementan significativamente su eficiencia de conversión. Este hecho yla reducción de la relación área/watt de los sistemasfotovoltaicos, justifican la inversión adicional que debehacerse en el sistema de concentración de la radiaciónsolar y de seguimiento del sol.
FUTUROS DESARROLLOS DE DISPOSITIVOSFOTOVOLTAICOS
En un intento por predecir la evolución en el futuro dela eficiencia de celdas solares, A. Goetzberger y colaboradores [15] construyeron una función que se ajustabien a la evolución histórica de las eficiencias obtenidas con celdas fabricadas en el pasado en los mejoreslaboratorios del mundo. Asumiendo que esta funciónpuede ser extrapolada para los desarrollos futuros, losautores pudieron predecir como sería la evolución futura de la eficiencia de celdas solares fabricadas condiferentes tecnologías. La función es relativamentesimple y está dada por la siguiente expresión:
[1]
donde 11 (t) es la eficiencia dependien te del tiempo, 11 L
es el límite asintótico máximo de la eficiencia, ao es elaño para el cual'11(t) es cero, a es el año calendario yc es un parámetro característico del desarrollo en eltiempo.
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Con base en la Ec. 1, los autores encontraron que lamáxima eficiencia teórica que se puede lograr con celdas solares de Si es del 28%, lo que significa que el estado actual del desarrollo de esta tecnología que es laque domina el mercado mundial de módulos FV, estámuy cerca de su límite teórico. De otro lado, la predicción sobre el futuro de las celdas basadas en películasdelgadas de Cu (In, Ga) Se2 (CIGS) y de Si) indicanque con este tipo de celdas se podrán obtener en elfuturo eficiencias similares a la del Si cristalino pero acostos significativamente mas bajos.
Dispositivos termo fotovoltaicos
En la conversión termofotovoltaica (TPV) un radiadores calentado a altas temperaturas por el solapar uncombustible y la radiación emitida por este radiadores convertida en electricidad a través de celdas solares. El potencial de la eficiencia de este dispositivo esalta porque el puede reciclar los fotones que no sonconvertidos por la celda solar. Esto significa que losfotones que no son absorbidos por la celda o aquelloscon energía superior a la de la banda gap son regresados al radiador por reflexión generada a través deun filtro. Una alternativa es el uso de radiadores deemisión selectiva que emite fotones principalmente enel rango de energías deseado.
Como el desarrollo de este tipo de sistema es muycomplejo se están esfuerzos por parte de diferentescentros de investigación de la EU [16] que van desdeel crecimiento de cristales de GaSb hasta el desarrollode celdas tandem para TPV, así como también el desarrollo de emisores selectivos nanotexturado o recubrimientos con erbio o yterbia. Esto también envuelveel desarrollo de prototipos para la concentración y elseguimiento de la radiación solar.
Se piensa que una eficiencia del 35% es una meta real paraceldas de GaSb con emisores selectivos a temperaturas de2100 - 2300 °K obtenido bajo concentración de 1000X.
Conceptos te6ricos para el desarrollo de nuevos materiales fotovoltaicos que darán lugar a materiales detercera generaci6n
Desde el punto de vista teórico es posible sintetizarnuevos materiales fotovoltaicos que podrían dar lugara dispositivos con eficiencias significativamente másaltas que los desarrollados actualmente. En principioestos materiales no han sido aún fabricados, sin embargo son diseñados para combinar el efecto de celdas tandem en un material y para producir eficienciascuánticas mayores que uno.
Existen varias aproximaciones para el desarrollo deestos nuevos materiales, sin embargo los denominados materiales con banda metálica intermedia (BI) [17]son los que han logrado un mayor desarrollo. La ideaes incorporar una banda metálica intermedia en el gapde un semiconductor para lograr que se generen portadores mediante absorción de dos fotones con energías menores que la correspondiente al gap Eg sin quese presenten procesos de recombinación a través dela BI, como se muestra en la figura 2a. Estos portadores se suman a los que se generan mediante absorciónfundamental de fotones que dan lugar a la excitaciónde electrones de la BV a la Be.
La síntesis de materiales semiconductores que exhiban una Banda Intermedia puede ser lograda a travésde la incorporación de puntos cuánticos PQ en sandwich entre una juntura PIN [18], como se muestra enla Fig. 2b. Los puntos cuánticos forman una bandaintermedia de estados discretos que permite absorberfotones de energía menor que Eg. Cálculos teóricosde bandas han permitido predecir el tipo de materiales que podrían generar una BI [19]. Titanio con configuración s2d3, es el elemento favorito para incorporarPQs en la matriz del GaAs o GaP, que darían lugar ala formación de una BI bien separada de la BC y de laBV. Esto se lograría para concentraciones de Ti, correspondientes al compuesto Ga
4TiAs3.
Figura 2: Celda solar con Banda intermedia a) Diagrama de bandas, b) Sección transversal y Bl generada por un arreglodePQ
Barrera de SemIconductor•..•.•_ ..••._/1 j
p
Be
EF~----__1t-_+----r---r--_r'
---------'------tII!--...--------'
E1· -"EF-I-:':~':':-==:;~~===t====~==::f::==
o . __~f_~__::_:;::::==~~===I========~
a)Banda de Valencia
b)
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CONCLUSIONES
• A través de una amplia revisión bibliográficase logró dar una visión general sobre el estadoactual del desarrollo de materiales, dispositivos y módulos fotovoltaicos.
• Se presentaron los avances tecnológicos logrados en el marco de las tecnologías de primeray segunda generación incluyendo los logradoscon los denominados materiales orgánicosy los sensibilizados con coloran tes, así comotambién de los dispositivos termofotovoltaicoso
• También se presentó información relacionada con las predicciones que los expertos hanhecho sobre los desarrollos que en el futurose harán en las tecnologías mencionadas y enmateria de los denominados materiales fotovoltaicos de tercera generación con énfasis enlos materiales que incorporan una banda metálica intermedia generada a través de puntoscuánticos.
Reconocimientos: Este trabajo fue financiado por laUniversidad Nacional y Colciencias
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