Hacia un nuevo paradigma fotovoltaico: el tándem de silicio y perovskita

Como vimos en un artículo anterior, los dispositivos fotovoltaicos basados en perovskitas se han convertido recientemente en uno de los campos más activos en la investigación sobre células solares debido a su bajo coste de fabricación y alta eficiencia de conversión de la energía solar en energía eléctrica. Y se le considera un material de gran potencial por su superioridad (en comparación con otros materiales), lo que puede hacer que sustituya o complemente al silicio, el material hegemónico en el campo hasta la fecha.

Idea esquemática de lo que es una célula solar tándem de perovskita y silicio: los fotones de mayor energía son absorbidos por la célula de perovskita, que se sitúa en la parte superior de la estructura; por su parte, los fotones de menor energía los absorbe la célula de silicio, situada en la parte inferior. Con la sinergia de ambas células, el conjunto puede superar la barrera del 30% de eficiencia, obteniéndose “lo mejor de ambos mundos”

El dispositivo tándem

La instalación de módulos fotovoltaicos ha aumentado constantemente durante las últimas décadas, gracias a los numerosos programas de estímulo puestos en marcha por los principales países industrializados, lo que ha hecho de la energía solar fotovoltaica, la fuente renovable de más rápido crecimiento de todas las tecnologías de generación de energía. Sin embargo, apenas el 3.6% de la electricidad se produjo en todo el mundo a partir de energía fotovoltaica hasta finales del pasado año. Para alcanzar los objetivos establecido en el Acuerdo de París sobre el Clima en 2015 de mantener el ritmo de subida de la temperatura media del planeta por debajo de 2°C, es imprescindible utilizar una cantidad significativamente mayor de energía solar fotovoltaica (y de fuentes renovables en general) como métodos de generación de electricidad. Por lo tanto, es de crucial importancia acelerar aún más la instalación global de módulos fotovoltaicos y la principal herramienta para lograr el éxito es reducir lo que se denomina en el argot específico, los costes nivelados de la energía (traducción literal de la terminología en inglés, Levelized Cost Of Energy, en lo que sigue LCOE). 

En este momento, la tecnología dominante del mercado fotovoltaico es la célula solar de silicio de homounión (el 95% del mercado) en sus diversas variantes, células que están inherentemente limitadas en su eficiencia de conversión de energía solar en energía eléctrica, ya que el valor de ese factor en estas células solo se ha incrementado desde el 24.2% en 1990 al 26.7% en la actualidad, una progresión de apenas el 2.5% en más de 30 años, lo que indica que la tecnología de silicio ya ha alcanzado un alto grado de madurez, con poco margen de mejora, por consiguiente. Como ya indiqué en un artículo previo, para elevar estos valores de eficiencia significativamente, es preciso combinar diferentes materiales semiconductores con el fin de fabricar células solares con estructuras apiladas unas encima de otras, denominados genéricamente dispositivos tándem, mediante la unión íntima de dos células solares de materiales diferentes que absorben regiones distintas del espectro solar. Esta estrategia tecnológica permite elevar la eficiencia de conversión a valores claramente superiores a los que se obtienen con cada célula trabajando de manera individual.

Dado que las células tándem no inducen costes adicionales relacionados con el aumento del área, estos dispositivos de alta eficiencia pueden ser una de las mejores opciones disponibles en la actualidad para reducir el LCOE en el futuro. Sin embargo, esto requiere que la ganancia en la eficiencia de conversión sea tal que compense los costes adicionales de fabricación. Por lo tanto, el campo fotovoltaico lleva años buscando nuevas células solares candidatas que sean rentables y eficientes para la integración en estructuras tándem a costes competitivos con los precios actuales del vatio solar.

Las células solares tándem de silicio y perovskita

Como vimos en un anterior artículo, los materiales conocidos genéricamente como perovskitas absorben muy eficazmente la radiación solar, lo que los hace candidatos idóneos para fabricar con ellos células solares eficientes. Desde la publicación de la primera célula solar basada en ellos en 2009, estos materiales se han convertido en el tema de investigación más candente en el campo de la energía solar fotovoltaica. En el momento presente, estos dispositivos cumplen con el requisito de tener unos “socios” perfectos para fabricar estructuras tándem de dos uniones con semiconductores cuyas tecnologías son ya muy maduras, como el silicio o el CuInGaSe2 (CIGS). Brevemente, estos requisitos son los siguientes: 

i) Absorción del espectro solar complementaria a la del “socio”. Es decir, la célula de perovskita absorbe las longitudes de onda cortas (energías elevadas) del espectro mientras que el Si o el CIGS lo hace para las largas (energías más bajas).

ii) Eficiencia de conversión en célula individual elevada 

iii) Facilidad de procesado

iv) Un factor clave: compatibilidad del proceso del dispositivo tándem con las tecnologías comerciales de silicio y CIGS. 

Con estas premisas, es posible lograr módulos de mayor eficiencia a costes razonables en un futuro próximo. La imagen muestra la idea más detallada de lo que es una célula solar tándem:

Ilustrando en concepto de célula solar tándem de silicio y perovskita

zonas del espectro solar que absorbe cada célula individual

En este vídeo, explico en términos sencillos lo que es una célula solar tándem de silicio y perovskita:

Todas estas tecnologías, aún en período de evolución, permiten obtener ya eficiencias de conversión superiores a las de las mejores células de unión única basadas en cualquiera de los socios, silicio o CIGS. Este potencial ha sido reconocido no solo por varias universidades e institutos de investigación de todo el mundo, sino también por varias empresas de reciente creación, que explotaran comercialmente estos dispositivos en un futuro inmediato, como es el caso de Oxford PV, Swift Solar y Tandem PV.

La siguiente figura muestra esquemáticamente las mejoras recientes y también las proyecciones potenciales de mejora de la eficiencia de las uniones simples de silicio, CIGS y perovskita, mostrando resultados de laboratorio y a escala industrial. Si bien en las tres tecnologías individuales son esperables mejoras en la eficiencia de conversión en los próximos años, no es probable que las uniones simples superen el límite práctico del ~ 27% (y ligeramente más bajo en módulos). Esto ha desencadenado un gran interés por la tecnología en tándem, que ya ha demostrado ser capaz de superar este límite práctico de unión única, puesto que muy recientemente se ha confirmado una eficiencia de una célula tándem silicio y perovskita por encima del 30%. Incluso ya se han publicado primeros resultados de dispositivos de tres uniones, con un potencial aún mayor:

Posibles escenarios de mejora de eficiencia en dispositivos fotovoltaicos basados en silicio, CIGS y perovskitas, tanto en células individuales como en tándem y en triple unión.

Las rutas de fabricación de esta nueva clase de dispositivos son razonablemente económicas y las células solares tándem podrían producirse a bajo coste en un futuro cercano. 

Algunos problemas pendientes de resolver

Además de la estabilidad a largo plazo, uno de los problemas que queda por resolver es cómo “colocar” la célula de perovskita sobre la de silicio, cuestión que sigue estando sin resolver a plena satisfacción. Hay que tener en cuenta que el silicio sobre el que se van a depositar los integrantes de la célula solar de perovskita no es plano sino que tiene el aspecto rugoso que se muestra en la imagen:

Superficie texturizada del silicio utilizado en células solares observada al microscopio electrónico. La superficie tiene una estructura irregular, constituida por “pirámides” cuyo objetivo es incrementar la absorción de luz

Los primeros esfuerzos para depositar perovskitas en la parte superior de las “pirámides” de silicio revelaron rápidamente una serie de obstáculos: algunas pirámides no quedaban cubiertas, se formaban caminos de corriente que provocaban cortocircuitos y en general, había un escaso control sobre el espesor de la capa de perovskita. De las múltiples soluciones que se están ensayando, científicos del Helmholtz-Zentrum en Berlín han desarrollado métodos cuyo detalle queda fuera de los objetivos de este artículo, pero que permiten, en palabras de uno de los científicos del grupo “preparar la cama perfecta, por así decirlo, sobre la que se acuesta la perovskita”. El resultado se muestra en la siguiente imagen, donde se presenta la imagen un corte transversal de una de esas pirámides encima de la que se ha depositado la célula de perovskita, con un recubrimiento del silicio excelente:

Izquierda: corte transversal de la estructura de una célula tándem de silicio y perovskita. Derecha: imagen tomada por microscopía electrónica de la estructura de la izquierda, donde se muestra perfectamente una de las pirámides de silicio recubierta con las diversas capas que componen la célula de perovskita. La escala de la imagen se detalla en la esquina inferior derecha

El campo de las células solares tándem de silicio y perovskita es el más activo en estos momentos a la búsqueda de mayores eficiencias. El valor del 30% ya es una realidad en laboratorio y los primeros módulos basados en esta tecnología están a punto de llegar al mercado. Si la evolución sigue al ritmo actual, es posible que veamos un mercado fotovoltaico en el que en los próximos años, esta tecnología tenga una cuota muy significativa.