La nueva celda solar es más eficiente y cuesta menos que sus contrapartes

La nueva celda solar es más eficiente y cuesta menos que sus contrapartes

Una celda solar de silicio con filtro de germanio y silicio que utiliza un diseño de celda escalonada (grande) y una capa de fosfuro de arseniuro de galio en una celda solar de prueba de concepto de celda escalonada de silicio (pequeña). Crédito: Tahra Al Hammadi/Noticias del Instituto Masdar

El costo de la energía solar está comenzando a alcanzar la paridad de precios con la electricidad basada en combustibles fósiles más barata en muchas partes del mundo, sin embargo, la fuente de energía limpia todavía representa solo un poco más del 1 por ciento de la combinación de electricidad del mundo.

Las células solares o fotovoltaicas (PV), que convierten la luz solar en energía eléctrica, tienen un papel importante que desempeñar en el impulso de la generación de energía solar a nivel mundial, pero los investigadores aún enfrentan limitaciones para ampliar esta tecnología. Por ejemplo, el desarrollo de células solares de muy alta eficiencia que puedan convertir una cantidad significativa de luz solar en energía eléctrica utilizable a muy bajo costo sigue siendo un desafío importante.

Un equipo de investigadores del MIT y el Instituto Masdar de Ciencia y Tecnología puede haber encontrado una forma de evitar este equilibrio aparentemente intratable entre eficiencia y costo. El equipo ha desarrollado una nueva célula solar que combina dos capas diferentes de material que absorbe la luz solar para recolectar una gama más amplia de energía solar. Los investigadores llaman al dispositivo “célula escalonada”, porque las dos capas están dispuestas de forma escalonada, con la capa inferior sobresaliendo por debajo de la capa superior, para exponer ambas capas a la luz solar entrante. Dichas células solares en capas o “multiunión” suelen ser costosas de fabricar, pero los investigadores también utilizaron un proceso de fabricación novedoso y de bajo costo para su célula escalonada.

El concepto de celda escalonada del equipo puede alcanzar eficiencias teóricas superiores al 40 por ciento y eficiencias prácticas estimadas del 35 por ciento, lo que llevó a los investigadores principales del equipo, Ammar Nayfeh, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática del Instituto Asdar, y Eugene Fitzgerald, del MIT, Merton C. Profesor Flemings-SMA de Ciencia e Ingeniería de Materiales, planeo una nueva empresa para comercializar la prometedora celda solar.

Fitzgerald, que ha puesto en marcha varias empresas emergentes, incluidas AmberWave Systems Corporation, Paradigm Research LLC y 4Power LLC, cree que las células escalonadas podrían estar listas para el mercado fotovoltaico en uno o dos años.

El equipo presentó su celda escalonada de prueba de concepto inicial en junio en la 43.ª Conferencia de especialistas fotovoltaicos del IEEE en Portland, Oregón. Los investigadores también informaron sus hallazgos en las conferencias anuales 40 y 42, y en el Revista de Física Aplicada y Revista IEEE de fotovoltaica.

Más allá del silicio

Las celdas solares de silicio cristalino tradicionales, que se han promocionado como el estándar de oro de la industria en términos de eficiencia durante más de una década, son relativamente baratas de fabricar, pero no son muy eficientes para convertir la luz solar en electricidad. En promedio, los paneles solares fabricados con células solares basadas en silicio convierten entre el 15 y el 20 por ciento de la energía del sol en electricidad utilizable.

La baja eficiencia de la luz solar en energía eléctrica del silicio se debe en parte a una propiedad conocida como banda prohibida, que evita que el semiconductor convierta de manera eficiente los fotones de mayor energía, como los emitidos por las ondas de luz azul, verde y amarilla, en energía eléctrica. En cambio, solo los fotones de energía más baja, como los emitidos por las ondas de luz roja más largas, se convierten de manera eficiente en electricidad.

Para aprovechar más los fotones de mayor energía del sol, los científicos han explorado diferentes materiales semiconductores, como el arseniuro de galio y el fosfuro de galio. Si bien estos semiconductores han alcanzado eficiencias más altas que el silicio, las células solares de mayor eficiencia se han fabricado superponiendo diferentes materiales semiconductores y ajustándolos para que cada uno pueda absorber una porción diferente del espectro electromagnético.

Estas células solares en capas pueden alcanzar eficiencias teóricas superiores al 50 por ciento, pero sus altísimos costos de fabricación han relegado su uso a aplicaciones de nicho, como en satélites, donde los altos costos son menos importantes que el bajo peso y la alta eficiencia.

La celda escalonada del Instituto Masdar-MIT, por el contrario, se puede fabricar a una fracción del costo porque un componente clave se fabrica en un sustrato que se puede reutilizar. Por lo tanto, el dispositivo puede ayudar a impulsar las aplicaciones comerciales de células solares multiunión de alta eficiencia a nivel industrial.

Pasos para el éxito

La celda escalonada se fabrica superponiendo una celda solar basada en fosfuro de arseniuro de galio, que consiste en un material semiconductor que absorbe y convierte de manera eficiente fotones de mayor energía, en una celda solar de silicio de bajo costo.

La capa de silicio está expuesta, apareciendo como un escalón inferior. Este diseño escalonado intencional permite que la capa superior de fosfuro de arseniuro de galio (GaAsP) absorba los fotones de alta energía (de la luz azul, verde y amarilla) dejando la capa inferior de silicio libre para absorber fotones de menor energía (de la luz roja) no solo transmitida a través de las capas superiores, sino también de todo el espectro de luz visible.

“Nos dimos cuenta de que cuando la capa superior de fosfuro de arseniuro de galio cubría por completo la capa inferior de silicio, los fotones de menor energía eran absorbidos por el germanio de silicio, el sustrato sobre el que crece el fosfuro de arseniuro de galio, y por lo tanto la célula solar tenía una energía mucho menor. eficiencia”, explica Sabina Abdul Hadi, estudiante de doctorado en el Instituto Masdar cuya disertación doctoral proporcionó la investigación fundamental para la célula escalonada. “Al grabar la capa superior y exponer parte de la capa de silicio, pudimos aumentar considerablemente la eficiencia”.

Trabajando bajo la supervisión de Nayfeh, Abdul Hadi llevó a cabo simulaciones basadas en resultados experimentales para determinar los niveles óptimos y la configuración geométrica de la capa de GaAsP en el silicio para obtener las máximas eficiencias. Sus hallazgos dieron como resultado la célula solar de prueba de concepto inicial del equipo. Abdul Hadi continuará apoyando el desarrollo tecnológico de la celda escalonada como investigador postdoctoral en el Instituto Masdar.

Por parte del MIT, el equipo desarrolló el GaAsP, lo que hicieron haciendo crecer la aleación de semiconductores en un sustrato hecho de germanio de silicio (SiGe).

“El fosfuro de arseniuro de galio no se puede cultivar directamente sobre silicio, porque sus redes cristalinas difieren considerablemente de las del silicio, por lo que los cristales de silicio se degradan. Es por eso que cultivamos el fosfuro de arseniuro de galio sobre el germanio de silicio, que proporciona una base más estable”, explica Nayfeh. .

El problema con el germanio de silicio debajo de la capa de GaAsP es que SiGe absorbe las ondas de luz de baja energía antes de que lleguen a la capa inferior de silicio, y SiGe no convierte estas ondas de luz de baja energía en corriente.

“Para sortear el problema óptico planteado por el germanio de silicio, desarrollamos la idea de la celda escalonada, que nos permite aprovechar las diferentes bandas de absorción de energía del fosfato de arseniuro de galio y el silicio”, dice Nayfeh.

El concepto de celda escalonada condujo a una celda mejorada en la que la plantilla de SiGe se elimina y se reutiliza, creando una celda solar en la que las celdas de GaAsP están directamente encima de una celda de silicio. La celda escalonada permite la reutilización de SiGe, ya que las placas de celda de GaAsP se pueden socavar durante el proceso de transferencia. Al explicar el futuro proceso de fabricación de bajo costo, Fitzgerald dice: “Hicimos crecer el fosfuro de arseniuro de galio sobre el germanio de silicio, lo modelamos en la configuración geométrica optimizada y lo unimos a una celda de silicio. Luego grabamos a través de los canales modelados y despegó las aleaciones de germanio de silicio sobre silicio. Lo que queda entonces es una célula solar en tándem de alta eficiencia y una plantilla de germanio de silicio, lista para ser reutilizada”.

Debido a que la celda en tándem está unida, en lugar de crearse como una celda solar monolítica (donde todas las capas crecen en un solo sustrato), el SiGe se puede quitar y reutilizar repetidamente, lo que reduce significativamente los costos de fabricación.

“Agregar esa capa de fosfuro de arseniuro de galio realmente puede aumentar la eficiencia de la celda solar, pero debido a la capacidad única de grabar el germanio de silicio y reutilizarlo, el costo se mantiene bajo porque puede amortizar ese costo de germanio de silicio en el transcurso de fabricar muchas células”, añade Fitzgerald.

Llenar un hueco en el mercado

Fitzgerald cree que la celda escalonada encaja bien en la brecha existente del mercado de la energía solar fotovoltaica, entre las aplicaciones industriales de súper alta y baja eficiencia. Y a medida que aumenta el volumen en esta brecha de mercado, los costos de fabricación deberían reducirse aún más con el tiempo.

Este proyecto comenzó como uno de los nueve proyectos de investigación emblemáticos del Instituto Masdar-MIT, que son proyectos de alto potencial que involucran a profesores y estudiantes de ambas universidades. El Programa Cooperativo del MIT y el Instituto Masdar ayudaron a lanzar el Instituto Masdar en 2007. Las colaboraciones de investigación entre los dos institutos abordan problemas globales de energía y sostenibilidad, y buscan desarrollar capacidades de investigación y desarrollo en Abu Dhabi.

“Este proyecto de investigación destaca el valioso papel que desempeñan la investigación y la colaboración internacional en el desarrollo de una innovación basada en tecnología comercialmente relevante, y es una demostración perfecta de cómo una idea de investigación puede transformarse en una realidad empresarial”, dice Nayfeh.


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