Autores
Bruno Vicario Stefani
Investigador Postdoctoral, Tecnologías Solares, CSIRO
Brett Hallam
Profesor asociado, UNSW Sydney
Matthew wright
Investigador Postdoctoral en Ingeniería Fotovoltaica, Universidad de Oxford
Los recientes fenómenos meteorológicos extremos han subrayado la necesidad de reducir las emisiones de CO₂ que están elevando las temperaturas globales. Esto requiere una rápida transición de la economía energética a fuentes de energía renovables, siendo la más barata la solar fotovoltaica (PV) . Y nuestra investigación recientemente publicada apunta a una forma en que podemos reducir aún más los costos del cambio utilizando formas más baratas de silicio para paneles solares altamente eficientes.
Australia ha estado a la vanguardia con las instalaciones de energía solar fotovoltaica , pero nuestro viaje de energía solar apenas comienza. Este año, la humanidad alcanzó un hito de 1 teravatio (TW) – 1 millón × 1 millón de vatios – de capacidad solar instalada . Sin embargo, los expertos predicen que se necesitarán 70 TW de energía solar fotovoltaica para 2050 para alimentar todos los sectores de la economía.
Para ayudar a impulsar esta rápida adopción de la energía solar fotovoltaica, necesitamos paneles solares que sean de alta eficiencia y bajo costo. En los últimos diez años, algunos nuevos diseños de celdas solares han logrado eficiencias récord. El problema es que estos diseños también necesitan materiales de mayor calidad, que cuestan más.
Nuestra investigación reciente sugiere que podríamos repensar el tipo de silicio necesario para fabricar estas células solares de alta eficiencia.
No todo el silicio es igual
Más del 95% de los paneles solares están fabricados con silicio. El silicio que se usa para hacer las células solares es similar al que se usa en los chips de las computadoras. Es efectivamente arena muy pura.
Para hacer que una celda solar funcione, necesitamos formar un campo eléctrico para que la corriente generada pueda fluir en una sola dirección. Esto se hace agregando átomos de impurezas al silicio, un proceso conocido como «dopaje».
En la fabricación de paneles comerciales, el tipo de silicio más utilizado es el silicio «tipo p». Este material está dopado con átomos que tienen un electrón menos que el silicio, como el boro o, más recientemente, el galio.
Entonces podemos introducir una capa muy delgada en la superficie llena de átomos con un electrón extra en relación con el silicio, que se llama silicio «tipo n». La colocación de estos dos tipos de silicio juntos forma lo que se llama una «unión pn». La enorme diferencia en el número de electrones entre la región de tipo p y la región de tipo n obliga a los electrones a moverse rápidamente, creando un campo eléctrico que impulsa la corriente en nuestra celda solar.
Los paneles solares convencionales en los techos australianos de hoy en día se fabrican mayoritariamente con silicio tipo p, ya que es aproximadamente un 10% más barato que el silicio alternativo «tipo n», dopado con fósforo.
Una mayor eficiencia tiene un costo
Los investigadores presionan continuamente para aumentar la eficiencia de los paneles solares para que puedan generar más energía para los consumidores. En 2017, se logró una eficiencia récord del 26,7% para una celda solar de silicio. El mes pasado, LONGi Solar anunció una eficiencia del 26,5 %, muy cercana al récord mundial, para el mismo tipo de celda solar fabricada en un entorno de fabricación, en lugar de en un laboratorio.
Este tipo de celda solar se denomina “heterounión de silicio”. El elemento especial de las células solares de heterounión de silicio es que la superficie está cubierta con una capa muy delgada, unas 1000 veces más delgada que un cabello humano, de silicio amorfo. Esta fina capa alisa la superficie y reduce gran parte de las pérdidas de energía.
Sanyo desarrolló este diseño de celda en la década de 1990. En ese momento, se usaban obleas de silicio de tipo n de alta calidad para fabricar células de heterounión de silicio, aunque estas obleas son más caras.
La razón principal de esto es que la luz solar degrada las obleas de tipo p más baratas. Sin embargo, nuestra comprensión de este fenómeno y cómo tratarlo ha avanzado mucho desde la década de 1990.
Nuestro momento de la bombilla
Durante los últimos 30 años, todas las células solares de heterounión de silicio, incluidas las células que batieron récords, se han fabricado utilizando obleas de silicio de tipo n. En nuestro proyecto de investigación , queríamos probar si también se podían usar obleas de tipo p más baratas.
A través de pruebas exhaustivas, encontramos que las células solares de heterounión hechas con silicio tipo p no funcionaron tan bien. Estábamos desconcertados por esto. Pero un día tuvimos un momento de iluminación literal.
Nos dimos cuenta de que la exposición accidental a la iluminación de la habitación durante tan solo diez segundos antes de la prueba reducía el voltaje de las celdas tipo p hasta en 30 mV, lo que puede reducir su eficiencia en un punto porcentual (es decir, del 22 % al 21 %). Esto estaba causando que nuestras células funcionaran mucho peor de lo esperado. Al igual que alguien que tiene alergias graves es más sensible al polen en primavera, nos dimos cuenta de que estas células solares de heterounión de silicio de alta eficiencia fabricadas con obleas tipo p son mucho más sensibles a la degradación inducida por la luz.
Problema identificado, ahora tenemos la solución
Creemos que esta observación es la razón por la cual las celdas de alta eficiencia solo se han explorado previamente utilizando silicio costoso. Los investigadores anteriores desconocían la sensibilidad de las obleas de tipo p para degradarse y no tenían el conocimiento para superarla.
Afortunadamente, ahora sabemos que la unión de boro y oxígeno no deseado en la oblea de silicio provoca esta degradación. Se ha demostrado que los tratamientos con láser de alta intensidad estabilizan las células en cuestión de segundos .
La iluminación láser puede hacer que el hidrógeno, que ya está flotando en el silicio, sea más móvil para moverse y «pasivar» los defectos de boro-oxígeno no deseados. Exactamente cómo hace esto el hidrógeno sigue siendo un área activa de investigación, pero sabemos que resuelve el problema. Nuestra investigación confirma que un tratamiento láser corto puede estabilizar el rendimiento de las células solares de heterounión de silicio tipo p.
Armados con este nuevo conocimiento, podemos seguir desarrollando tecnologías de alta eficiencia con materias primas más baratas. Esto reducirá el costo de cada vatio de electricidad solar producido. En marzo de este año, el fabricante de paneles solares LONGi Solar anunció una eficiencia del 25,47 % para una célula solar de heterounión de silicio fabricada con obleas de tipo p.
Ver a los fabricantes fabricar células solares de alta eficiencia que son potencialmente más baratas significa que nuestros hallazgos tienen un impacto tangible en la industria. La reducción de los costos de las celdas solares proporcionará electricidad más barata a millones de consumidores y, al mismo tiempo, abordará el cambio climático.
The Conversation
