Células solares de película delgada

Hasta el 85% de las células solares en el mercado actual son módulos solares cristalinos. Sin embargo, los expertos aseguran que la tecnología de película delgada para la producción de celdas solares resulta ser la más eficiente y por lo tanto la más prometedora de los ya conocidos módulos de cristal.

La principal ventaja de la tecnología de película delgada es su bajo costo, por lo que tiene todas las posibilidades de convertirse en líder en los próximos años. Los módulos de la nueva base hacen que los paneles solares sean flexibles, en el sentido literal de la palabra. Son livianas y flexibles, lo que le permite colocar tales baterías literalmente en cualquier superficie, incluida la superficie de la ropa.

Las células solares flexibles se basan en películas poliméricas, silicio amorfo, aluminio, telururo de cadmio y otros semiconductores, que ya se utilizan en la producción de cargadores portátiles para teléfonos móviles, ordenadores portátiles, tabletas, cámaras de vídeo y otros dispositivos, en forma de pequeños dispositivos plegables. celdas solares Pero si se requiere más potencia, entonces el área del módulo deberá ser más grande.

Las primeras muestras de células solares de película delgada se fabricaron con silicio amorfo depositado sobre un sustrato, y la eficiencia fue solo del 4 al 5% y la vida útil no fue larga. El siguiente paso de la misma tecnología fue aumentar la eficiencia al 8% y extender la vida útil, se volvió comparable a sus predecesores de cristal. Finalmente, la tercera generación de módulos de capa fina ya contaba con una eficiencia del 12%, lo que ya es un avance y competitividad importante.

El seleniuro de cobre indio y el telururo de cadmio utilizados aquí han permitido crear células solares flexibles y cargadores portátiles con una eficiencia de hasta el 10 %, y esto ya es un logro significativo, considerando que los físicos luchan por cada porcentaje adicional de eficiencia. Ahora echemos un vistazo más de cerca a cómo se fabrican las baterías de película delgada.

En cuanto al telururo de cadmio, se empezó a estudiar como material absorbente de luz allá por los años 70, cuando era necesario encontrar la mejor opción para su uso en el espacio. Hasta el día de hoy, el telururo de cadmio sigue siendo el más prometedor para las células solares. Sin embargo, la cuestión de la toxicidad del cadmio permanece abierta durante algún tiempo.

Como resultado de la investigación se demostró que el peligro es mínimo, el nivel de cadmio liberado a la atmósfera no es peligroso. La eficiencia es del 11%, mientras que el precio por vatio es un tercio inferior al de los análogos de silicio.

Ahora para el seleniuro de indio y cobre. Hoy en día se utiliza una cantidad significativa de indio para crear monitores de pantalla plana, por lo que el indio se reemplaza por galio, que tiene las mismas propiedades para energía solar… Las baterías de película sobre esta base alcanzan una eficiencia del 20%.

Recientemente, se han comenzado a desarrollar paneles de polímero.Aquí, los semiconductores orgánicos sirven como materiales absorbentes de luz: fullerenos de carbono, polifenileno, ftalocianina de cobre, etc. El grosor de la celda solar es de 100 nm, pero la eficiencia es solo del 5 al 6%. Pero, al mismo tiempo, los costes de producción son bastante bajos, las películas son asequibles, ligeras y completamente respetuosas con el medio ambiente. Por esta razón, los paneles de resina son populares donde el respeto por el medio ambiente y la flexibilidad mecánica son importantes.

Entonces, la eficiencia de las células solares de película delgada fabricadas hoy:

• Monocristalino — de 17 a 22 %;

• policristalino — de 12 a 18 %;

• silicio amorfo: 5 a 6%;

• telururo de cadmio — del 10 al 12 %;

• seleniuro de cobre-indio — de 15 a 20 %;

• Polímeros orgánicos — 5 a 6%.

¿Cuáles son las características de las baterías de película delgada? En primer lugar, cabe destacar el alto rendimiento de los módulos incluso en luz difusa, que otorga hasta un 15% más de potencia durante el año en comparación con los análogos de cristal. Luego viene la ventaja del costo de fabricación. En sistemas de alta potencia, a partir de 10 kW, los módulos de capa fina muestran una mayor eficiencia, aunque se necesita 2,5 veces más área.

Por lo tanto, podemos nombrar las condiciones en las que los módulos de película delgada obtienen una ventaja justificada. En regiones con clima mayormente nublado, las baterías de película delgada funcionarán de manera eficiente (luz difusa). Para regiones con climas cálidos, las películas delgadas son más eficientes (funcionan con la misma eficacia a altas temperaturas que a bajas temperaturas). Posibilidad de uso como soluciones de diseño decorativo para el acabado de las fachadas de los edificios. Es posible una transparencia de hasta el 20 %, lo que nuevamente favorece a los diseñadores.

Mientras tanto, en 2008, la empresa estadounidense Solyndra propuso colocar baterías de película delgada en cilindros, donde se aplica una capa de fotocélula a un tubo de vidrio que se coloca dentro de otro tubo equipado con contactos eléctricos. Los materiales utilizados son cobre, selenio, galio, indio.

El diseño cilíndrico permite que se absorba más luz, y un juego de 40 cilindros cabe por metro de dos paneles. Lo más destacado aquí es que el revestimiento del techo blanco contribuye a la alta eficiencia de tal solución, porque entonces los rayos reflejados también funcionan, agregando el 20% de su energía. Además, los conjuntos cilíndricos son resistentes incluso a fuertes vientos con rachas de hasta 55 m/s.

La mayoría de las células solares fabricadas hoy en día contienen solo una unión pn, y los fotones con energía menor que la banda prohibida simplemente no participan en la generación. Luego, los científicos idearon una forma de superar esta limitación, se desarrollaron elementos en cascada de una estructura multicapa, donde cada capa tiene su propio ancho de banda, es decir, cada capa tiene una unión pn separada con un valor individual de la energía de la absorbida. fotones

La capa superior está formada por una aleación a base de silicio amorfo hidrogenado, la segunda, una aleación similar con la adición de germanio (10-15%), la tercera, con la adición de 40 a 50% de germanio. Así, cada capa sucesiva tiene un espacio más estrecho que el de la capa anterior, y los fotones no absorbidos en las capas superiores son absorbidos por las capas subyacentes de la película.

En este enfoque, el costo de la energía generada se reduce a la mitad en comparación con las celdas de silicio cristalino tradicionales. Como resultado, se logró una eficiencia del 31 % con una película de tres pasadas, y una película de cinco pasadas promete un total del 43 %.

Recientemente, especialistas de la Universidad Estatal de Moscú han desarrollado células solares tipo rollo basadas en un polímero aplicado a un sustrato flexible de material orgánico. La eficiencia resultó ser solo del 4%, pero tales baterías pueden funcionar incluso a + 80 ° C durante 10,000 horas. Estos estudios aún no se han completado.

Los científicos suizos lograron una eficiencia del 20,4 % sobre la base de polímeros, y se utilizaron indio, cobre, selenio y galio como semiconductores. Hoy, este es un récord para elementos en una película delgada de polímero.

En Japón, lograron una eficiencia del 19,7 % en semiconductores similares depositados por pulverización catódica (indio, selenio, cobre). Y en Japón empezaron a producir tejido solar, se desarrollaron paneles solares de tela utilizando elementos cilíndricos de unos 1,2 milímetros de diámetro adheridos al tejido. A principios de 2015 tenían previsto iniciar la producción de ropa y sombrillas sobre esta base.

Es obvio que los paneles solares de película delgada finalmente estarán disponibles para la población en un futuro cercano, no en vano se están realizando tantas investigaciones en todo el mundo para reducir costos.