A principios de la década de 1990, un equipo de investigación liderado por Andrew Blakes y Martin Green en la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW) en Australia trabajaba para recuperar el récord mundial de la celda solar monocristalina más eficiente. El grupo había liderado el camino durante la década de 1980, con una serie de desarrollos que batieron récords y que impulsaron la eficiencia de conversión de energía en muestras de celdas fotovoltaicas solares fabricadas en laboratorio del 18% en 1984 al 20% en 1986, pero había perdido el liderazgo frente a un equipo competidor de la Universidad de Stanford en 1988.
En 1989, el grupo de la UNSW informó sobre un nuevo tipo de diseño de celda solar, llamado Celda de Emisor Pasivo y Contacto Trasero (PERC), con una eficiencia del 22-23%, recuperando el récord mundial para el equipo.
A lo largo de la década de 1990, las mejoras en la tecnología de celdas PERC realizadas por el equipo aumentaron la eficiencia de la celda al 25%, un récord que se mantendría durante 15 años.
Avanzando rápidamente hasta 2015, las celdas solares PERC habían pasado de ser una curiosidad de laboratorio a su implementación en paneles solares de producción masiva. Durante los años siguientes, PERC llegó a dominar el mercado solar. En 2019, todas las líneas de fabricación de celdas solares recién instaladas se basaban en la tecnología PERC, y PERC representó el 65% de todas las celdas solares fabricadas.
Lo que podemos observar de esta historia es que, aunque el trabajo de desarrollo en laboratorio de las celdas PERC se completó en 1999, tuvieron que pasar otros 16 años antes de que los productos basados en esta tecnología aparecieran en el mercado.
También podemos observar en el gráfico que entre 1999 y 2014 no hubo más avances en la eficiencia de las celdas monocristalinas en laboratorios de todo el mundo. Si los recientes avances que batieron récords tardan el mismo tiempo en pasar de dispositivos de investigación a fabricación en volumen, estaremos esperando hasta 2030 antes de que comiencen a aparecer en paneles solares comerciales.
Es muy posible que, debido al crecimiento masivo de la industria solar en el tiempo transcurrido, los presupuestos de investigación actuales sean mucho mayores que los de 1999, por lo que quizás no tengamos que esperar 16 años, pero innegablemente la introducción de PERC podría representar una meseta en la marcha implacable de la eficiencia de las celdas solares, que ha sido una característica del mercado fotovoltaico solar durante muchos años.
¿Cómo han respondido los fabricantes de paneles?
Con clientes que se han acostumbrado a paneles cuya potencia de salida aumentaba cada año, los fabricantes han recurrido a lo que podría parecer un truco barato. Si las celdas no son más eficientes, hagamos los paneles más grandes. Ha surgido una proliferación de diferentes formatos de celdas y tamaños de paneles. Consulte mi blog anterior sobre la proliferación de formatos de paneles y celdas.
Este juego de manos no tan sutil ha ocultado el hecho de que la tecnología se ha estancado. Aunque la potencia de los paneles está aumentando, la potencia específica (potencia por metro cuadrado) aumenta solo ligeramente y debido a un empaquetamiento más eficiente de las celdas en los paneles más grandes.
Sin embargo, existe un límite en el tamaño que se puede fabricar un módulo antes de que las desventajas en la manipulación y la facilidad de instalación comiencen a compensar y, finalmente, superen los beneficios, especialmente en la energía solar para tejados, donde la manipulación mecánica es menos fácil de organizar.
¿Cuál es el futuro de la eficiencia de las celdas solares?
El desafío para los investigadores que buscan mejoras en la eficiencia de las celdas solares es que estas ya se están acercando a un muro infranqueable: el límite de Shockley-Queisser. Este límite teórico de eficiencia se basa en leyes físicas. Para una celda de silicio monocristalino semiconductora de unión p-n simple, como las que se utilizan hoy en los paneles solares, el límite es del 32%. Con eficiencias de celda de laboratorio del 26,1%, el récord actual ya representa el 81% del máximo que podría alcanzar.
Algunos participantes de la industria señalan a las Celdas de Heterounión (HJT) como las sucesoras de las PERC. Introducidas por Sanyo en la década de 1980 y adquiridas por Panasonic en 2009, las celdas solares HJT tienen actualmente una eficiencia récord mundial del 26,7%, un poco más alta que las celdas PERC, pero estas celdas tienen un límite de eficiencia teórica similar basado en una única unión p-n.
Una forma de liberarse del límite de eficiencia teórico es crear una celda que contenga múltiples uniones p-n, cada una sintonizada a diferentes longitudes de onda. De este modo, se puede convertir a electricidad un rango más amplio de longitudes de onda de luz.
Entre las investigaciones de celdas multicapa, un enfoque denominado celda de perovskita en tándem parece ser el más cercano a la comercialización. (Véase, por ejemplo, Oxford Photovoltaics). Una fina película de material fotovoltaico de perovskita se deposita sobre la superficie de la celda de silicio. La perovskita capta energía de un conjunto de longitudes de onda de luz y permite que el resto pase para su conversión por la celda de silicio inferior. Se han logrado eficiencias cercanas al 30% en laboratorio y, lo que es importante, la tasa de mejora es rápida, lo que sugiere que podría haber más avances en el futuro.
El problema al que se enfrenta cualquier tecnología desafiante es superar la inercia de las enormes inversiones en plantas de fabricación existentes para celdas de silicio cristalino y demostrar a los clientes que la próxima novedad tendrá una vida útil igual. Lo interesante del enfoque de la celda de perovskita en tándem es que, literalmente, se basa en la celda de silicio cristalino bien probada añadiendo una nueva capa. Las plantas existentes podrían modificarse en lugar de desecharse, y la tarea de probar la longevidad se vuelve un poco menos desafiante.
El rápido surgimiento de una industria solar global ha sido impulsado por la reducción del coste de la energía generada por energía solar, al reducir cada vez más el coste por vatio-pico de los módulos fotovoltaicos. Los dos motores, las mejoras tecnológicas en la densidad energética de las celdas y las eficiencias de escala, han trabajado en conjunto para reducir este coste por vatio-pico año tras año.
Ahora parece que las tecnologías de celdas que han llevado a la industria hasta este punto están acercándose a su límite.
Hasta que las tecnologías de celdas innovadoras actuales hagan el viaje del laboratorio a la producción en masa, como las invenciones del equipo de la UNSW, la industria solar tendrá que depender más de las economías de escala y las eficiencias de fabricación para impulsar las mejoras.
Este blog fue publicado por primera vez en Solar Blogger aquí