Empa logra eficiencias récord del 19.8 % para la iluminación frontal y del 10.9 % para la iluminación trasera en una celda solar CIGS bifacial

Reeditado por Platón

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16 de diciembre 2022

Las células solares bifaciales de película delgada basadas en diseleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) pueden recolectar energía solar tanto de su parte frontal como de su parte posterior y, por lo tanto, potencialmente producir más electricidad solar que sus contrapartes convencionales. Sin embargo, hasta ahora, su fabricación solo ha dado lugar a modestas eficiencias de conversión de energía. Un equipo de los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales (Empa) ha desarrollado un nuevo proceso de producción a baja temperatura que da como resultado eficiencias récord del 19.8 % para la iluminación frontal y del 10.9 % para la iluminación trasera. Además, también produjeron la primera célula solar bifacial en tándem de perovskita-CIGS, lo que abre la posibilidad de rendimientos energéticos aún mayores en el futuro (SC Yang et al, 'Efficiency boost of bifacial Cu(In,Ga)Se2 células solares de película delgada para aplicaciones flexibles y en tándem con proceso de baja temperatura asistido por plata', Nature Energy (2022); 21 de noviembre).

Si tanto la luz solar directa como su reflejo (a través de la parte posterior de una celda solar) se pueden recolectar, esto debería aumentar el rendimiento de energía que produce la celda. Las aplicaciones potenciales son, por ejemplo, energía fotovoltaica integrada en edificios (BIPV), agrovoltaica, el uso simultáneo de áreas de tierra para la generación de energía fotovoltaica y la agricultura, y módulos solares instalados verticalmente o de gran inclinación en terrenos de gran altitud. De acuerdo con la Hoja de ruta de tecnología internacional de fotovoltaica, las células solares bifaciales podrían capturar una participación de mercado del 70% del mercado fotovoltaico general para 2030.

Aunque las células solares bifaciales basadas en obleas de silicio ya están en el mercado, las células solares de película fina se han quedado rezagadas hasta ahora. Esto se debe, al menos en parte, a la baja eficiencia de las células solares bifaciales de película delgada CIGS, provocada por un problema crítico de cuello de botella: para que cualquier célula solar bifacial pueda recoger la luz solar reflejada en la parte trasera, una luz ópticamente transparente el contacto eléctrico es un requisito previo. Esto se logra mediante el uso de un óxido conductor transparente (TCO) que reemplaza el contacto posterior opaco en las células solares convencionales, es decir, monofaciales, hechas de molibdeno.

Formación de óxido perjudicial

Las células solares CIGS de alta eficiencia generalmente se producen mediante un proceso de deposición a alta temperatura, es decir, por encima de 550 °C. A estas temperaturas, sin embargo, se produce una reacción química entre el galio (de la capa de CIGS) y el oxígeno del contacto trasero de óxido conductor transparente. La capa de interfaz de óxido de galio resultante bloquea el flujo de corriente generada por la luz solar y, por lo tanto, reduce la eficiencia de conversión de energía de la celda. Los valores más altos alcanzados hasta ahora en una sola celda son 9.0% para el lado frontal y 7.1% para el lado posterior. “Es realmente difícil tener una buena eficiencia de conversión de energía para las células solares con contactos conductores transparentes tanto en la parte delantera como en la trasera”, dice Ayodhya N. Tiwari, quien dirige el laboratorio de película delgada y energía fotovoltaica de Empa.

Las células solares CIGS bifaciales consisten en capas muy delgadas, solo 3 µm en total para los materiales activos. Depositada encima de un contacto eléctrico transparente, la capa policristalina CIGS absorbe la luz de los lados frontal y posterior. (Cortesía de EMPA.)

Imagen: Las células solares CIGS bifaciales consisten en capas muy delgadas, solo 3 µm en total para los materiales activos. Depositada encima de un contacto eléctrico transparente, la capa policristalina CIGS absorbe la luz de los lados frontal y posterior. (Cortesía de EMPA.)

Entonces, el estudiante de doctorado Shih-Chi Yang en el grupo de Romain Carron en el laboratorio de Tiwari desarrolló un nuevo proceso de deposición a baja temperatura que debería producir mucho menos óxido de galio perjudicial, idealmente nada en absoluto. Utilizaron una pequeña cantidad de plata para reducir el punto de fusión de la aleación CIGS y obtener capas absorbentes con buenas propiedades electrónicas a una temperatura de deposición de solo 350 °C. Cuando analizaron la estructura multicapa con microscopía electrónica de transmisión (TEM) de alta resolución, con la ayuda del ex postdoctorado de Tiwari, Tzu-Ying Lin (actualmente en la Universidad Nacional Tsing Hua en Taiwán), el equipo no pudo detectar ningún óxido de galio en la interfaz en absoluto.

Apuntando a un rendimiento energético de más del 33%

Esto también se reflejó en una eficiencia de conversión de energía drásticamente mejorada: la celda arrojó valores del 19.8 % para la iluminación frontal y del 10.9 % para la iluminación trasera que habían sido certificados de forma independiente por el Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar (ISE) en Freiburg, Alemania, en la misma celda sobre un sustrato de vidrio.

El equipo también logró fabricar, por primera vez, una célula solar CIGS bifacial sobre un sustrato de polímero flexible que, debido a su peso ligero y flexibilidad, amplía el espectro de aplicaciones potenciales.

Finalmente, los investigadores combinaron dos tecnologías fotovoltaicas, CIGS y células solares de perovskita, para producir una célula tándem bifacial.

Según Tiwari, la tecnología CIGS bifacial tiene el potencial de generar eficiencias de conversión de energía superiores al 33 %, lo que abre nuevas oportunidades para las células solares de película delgada en el futuro. Tiwari ahora está tratando de establecer un esfuerzo de colaboración con laboratorios y empresas clave en toda Europa para acelerar el desarrollo de tecnología y su capacidad de fabricación industrial a mayor escala.

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