¿Qué sigue para la eficiencia de la energía solar fotovoltaica?

A principios de la década de 1990, un equipo de investigación dirigido por Andrew Blakes y Martin Green en la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW) en Australia estaba trabajando para recuperar el récord mundial de la célula solar monocristalina más eficiente. El grupo había liderado el camino a lo largo de la década de 1980, con una serie de desarrollos sin precedentes que impulsaron la eficiencia de la conversión de energía en muestras de laboratorio de celdas solares fotovoltaicas del 18 % en 1984 al 20 % en 1986, pero habían perdido la delantera para un equipo competidor de la Universidad de Stanford en 1988.

En 1989, el grupo UNSW informó sobre un nuevo tipo de diseño de celda solar, llamada celda de colector trasero de emisor pasivo (PERC), con una eficiencia del 22-23%, recuperando el récord mundial para el equipo.

A lo largo de la década de 1990, las mejoras realizadas por el equipo en la tecnología de celdas PERC aumentaron la eficiencia de la celda al 25 %, un récord que se mantendría durante 15 años.

Un avance rápido hasta 2015 y las células solares PERC habían hecho la transición de la curiosidad de laboratorio al despliegue en paneles solares producidos en masa. En los próximos años, PERC ha llegado a dominar el mercado solar. En 2019, todas las líneas de fabricación de células solares recién instaladas se basaron en la tecnología PERC, y PERC representó el 65 % de todas las células solares fabricadas.

Lo que podemos ver a partir de esta historia es que, aunque el trabajo de desarrollo de laboratorio de las células PERC se completó en 1999, pasaron otros 16 años antes de que aparecieran en el mercado productos basados ​​en la tecnología.

También podemos ver en el gráfico que entre 1999 y 2014 no hubo más avances en el avance de la eficiencia de las células monocristalinas en laboratorios de todo el mundo. Si los recientes avances récord toman el mismo tiempo para pasar de los dispositivos de investigación a la fabricación en volumen, estaremos esperando hasta 2030 antes de que comiencen a aparecer en los paneles solares comerciales.

Bien puede ser que, debido al crecimiento masivo de la industria solar en el tiempo intermedio, los presupuestos de investigación actuales sean mucho mayores que los de 1999, por lo que es posible que no tengamos que esperar 16 años, pero sin duda la introducción de PERC podría representar una meseta. en la marcha implacable de la eficiencia de las células solares que ha sido una característica del mercado de la energía solar fotovoltaica durante muchos años.

¿Cómo han respondido los fabricantes de paneles?

Con clientes que se han acostumbrado a los paneles que aumentan la potencia de salida cada año, los fabricantes han recurrido a lo que podría parecer un truco barato. Si las celdas no se vuelven 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 paneles y formatos de celdas.

Este juego de manos no tan sutil ha oscurecido el hecho de que la tecnología se ha estancado. Aunque las potencias de los paneles están aumentando, la potencia específica (potencia por metro cuadrado) está aumentando solo ligeramente debido a un empaquetamiento más eficiente de las celdas en los paneles más grandes.

Sin embargo, hay un límite en cuanto al tamaño que puede hacer un módulo antes de que las desventajas en el manejo y la facilidad de instalación comiencen a compensar y eventualmente superen los beneficios, especialmente en los techos solares donde el manejo mecánico es menos fácil de organizar.

¿Qué sigue para la eficiencia de las células solares?

El desafío para los investigadores que buscan aumentar la eficiencia de las células solares es que las células ya se están acercando a una pared de ladrillos: el límite de Shockley Queisser. Este límite de eficiencia teórico se basa en leyes físicas. Para una celda de silicio monocristalino semiconductor pn de unión única como las que se usan actualmente en los paneles solares, el límite es del 32%. Con eficiencias de celdas de laboratorio del 26,1 %, el récord actual ya es del 81 % del máximo que podría llegar a ser.

Algunos participantes de la industria apuntan a las células HeterojunctionTechnology (HJT) como el sucesor de PERC. Introducidas por Sanyo en la década de 1980 y adquiridas por Panasonic en 2009, las celdas solares HJT actualmente tienen una eficiencia récord mundial del 26,7 %, un poco más alta que las celdas PERC, pero estas celdas tienen un límite de eficiencia teórico similar basado en una única unión pn.

Una forma de liberarse del límite de eficiencia teórico es crear una celda que contenga múltiples uniones pn, cada una sintonizada con diferentes longitudes de onda. Una gama más amplia de longitudes de onda de luz se puede convertir en electricidad.

Entre aquellos que exploran una celda multicapa, un enfoque llamado celda de perovskita en tándem parece más cercano a la comercialización. (Véase, por ejemplo, Oxford Photovoltaics). Se coloca una película delgada de material de perovskita fotovoltaica sobre la superficie de la celda de silicio. La perovskita extrae energía de un conjunto de longitudes de onda de luz y permite que el resto pase para ser convertido por la celda de silicio que se encuentra debajo. Se han logrado eficiencias cercanas al 30% en el laboratorio y, lo que es más importante, la tasa de mejora es rápida, lo que sugiere que puede haber más mejoras 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 células de silicio cristalino y demostrar a los clientes que la próxima novedad tendrá la misma vida útil. Lo interesante del enfoque de la celda de perovskita en tándem es que literalmente se basa en la celda de silicio cristalino bien probada al agregar una nueva capa. La planta existente podría modificarse en lugar de desecharse, y el trabajo de probar la longevidad se hace un poco menos desafiante.

El rápido surgimiento de una industria solar global ha sido impulsado por la reducción del costo de la energía generada por la energía solar, al empujar cada vez más bajo el costo por vatio pico de los módulos fotovoltaicos. Los motores gemelos de las mejoras tecnológicas en la densidad de energía celular y las eficiencias de escala han trabajado en conjunto para reducir este costo por vatio pico año tras año.

Ahora parece que las tecnologías celulares que han llevado a la industria tan lejos se están acercando a su límite.

Hasta que las tecnologías de celdas innovadoras de hoy hagan el viaje desde el banco de laboratorio hasta la producción en masa como los inventos del equipo de UNSW, la industria solar tendrá que depender más de las economías de escala y las eficiencias de fabricación para impulsar las mejoras.

Fuente: www.solarblogger.net