PROSPECTIVA

ISSN: 1692-8261

rprospectiva@gmail.com

Universidad Autónoma del Caribe

Colombia

Oyola, J.S.; Gordillo G, Gerardo

Estado del arte de los materiales fotovoltaicos y de la tecnología solar fotovoltaica

PROSPECTIVA, vol. 5, núm. 2, julio-diciembre, 2007, pp. 11-15

Universidad Autónoma del Caribe

Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=496251110003

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Proyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto

Estado del arte de los materiales fotovoltaicosy de la tecnología solar fotovoltaica

J.s. Oyola " Gerardo Gordillo G ..

• Estudiante postrado. Oepartamento de Física, Universidad Nacional de Colombia, Bogotájsoyolav@unal.edu.ro (Autor corresponsal)

•• Profesor titular. Oepartamento de Física, Universidad Nacional de Colombia, Bogotággordíllog@unal.edu.co

Recibido: Julio 15 de 2007 - Aceptado: Septiembre 30 de 2007

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RESUMEN

Este artículo presenta el estado actual tanto del desarrollo de los materiales fotovoltaicos incluyendomateriales emergentes entre los que se encuentran los polímeros conductores como el de las tecnologíasusadas en la fabricación de celdas y módulos fotovoltaicos. Se hará énfasis en los avances tecnológicoslogrados en el desarrollo de dispositivos y módulos fotovoltaicos fabricados con tecnologías de primeraysegunda generación. También se presenta una visión fu turista sobre e) desarrollo de nuevos materialesfotovoltaicos que actualmente están en etapa de diseño, pero que se espera puedan ser fabricados usan­do la denominada tecnología de tercera generación.

Palabras clave: Tecnología fotovoltaica, celdas solares, materiales fotovoltaicos, tecnología de tercerageneración.

ABSTRACT

This paper present an overview of the state of the art of the photovoltaics materials including emergentmaterials like conductor polymers as well as of the technologies used for fabrication of solar cells andphotovoltaic modules. It will emphasized in the technological advances achieved for developing photo­voltaic devices and solar modules fabricated using ñrst generation and second generation technologies.With materials used to fabrica te photovoltaic devices based on crystalline silicon as well as of devicesbased on thin films, which includes emergent materials such as conductor polymers. A futurist overviewof the new photovoltaic materials is also presented. This materials are yet in the design stage, however itis hoped than they can be fabricated using third generation technologies.

Key words: Photovoltaic technology, photovoltaic materials, solar cells, third generation technology.

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INTRODUCCIÓN

La tecnología solar fotovoltaica tuvo su inicio en1954, cuando investigadores de los laboratorios Bellde los Estados Unidos desarrollaron la primera celdasolar de estado sólido usando silicio cristalino comomaterial fotovo1taico [1]. Esta tecnología, denominadade prímera generación, fue usad.a inicialmente para ge­nerar la potencia eléctrica requerida en los programasespaciales, sin embargo a comienzos de la década del70 se inició un gran programa encaminado al desarro­llo de nuevos materiales fotovoltaicos con el propósitode fabricar celdas solares para uso terrestre. Este pro-

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grama incluía además de silicio, otra gran variedad demateriales fotovoltaicos que permitieron fabricar cel­das usando una nueva tecnología conocida como decapa delgada o de segunda generación. A finales de ladécada del 80 se inició el desarrollo de un nuevo tipode materiales fotovoltaicos denominados emergentes,que permitieron fabricar las denominadas celdas or­gánicas basadas en polímeros conductores [2].Se han hecho enormes avances tecnológicos que hanconducido a un aumento significativo de la eficienciade conversión de las celdas solares sin embargo estaestá limitada por el hecho de que en celdas convencio­nales solo se aprovecha una parte del espectro solar.

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Para aprovechar mejor el espectro solar se han venidodesarrollando las denominadas celdas multijuntura otandem [3], que están constituidas por dos o más cel­das apiladas una encima de otra.Recientemente se dio inicio al diseño de nuevos mate­riales fotovoltaicos clasificados como de tercera gene­ración que no han sido aún sintetizados en el labora­torio, pero que podrían ser fabricados usando nuevastecnologías.

2. ESTADO ACTUAL DE LOS MATERIALES Y DELA TECNOLOGíA SOLAR FOTOVOLTAICA

Los máximos valores de eficiencia de conversión quehasta el momento se han reportado para celdas y sub­módulos fabricados con tecnologías de primera y se­gunda generación, incluyendo dispositivos tandemy los fabricados a partir de materiales emergentes sepueden visualizar en la Fig. 1 [4].

Figura 1: Eficiencia de conversión de celdas solares y submódulos fabricados con diferentes tecnologías. Medi­ciones realizadas bajo una irradiancia AM1.5 (100 W1m2).

Efficiency (%)

, Mi

o <.ro

SiliconSi t'rystalline J

1Si (Inultlcrystalline J

Si (tilln-film transferl l' I@Si ¡tilin-film submodule I \' n

III-VCellsGaAs (crystalline I

GaAs ¡Ulln-f¡1111I

GaAs (mlllucrystalline iInP ¡crystallinei

Thin-film chalcogenideCIGS (cell¡

CIGS (sllbl11odule)CdTe(cell¡

.A.morpholls/nanocrystallíne SI

Si I amorphous,Si lI1anocrystalline I

Photochel11lcalOye sensitised

Oye sensitised (sllbl11odule I -- ~:;.~

OrganlcOrganic polymery -

MlIltijllnc1Jon devlcesGalnP/GaAs/Ge

GalnP/GaAsGaAs/CIS ¡tilin-fill11I

a-Siímc-Si (tilín submodule 1

<:> "o 1)Ul

= i

wo

wU>

En la Figura 1 se compara la eficiencia máxima repor­tada hasta el momento para celdas y submódulos, fa­bricados con diferentes materiales y tecnologías. Deestos resultados se destacan los siguientes hechos:

La más alta eficiencia lograda con celdas solares(de una juntura) es del 25.1 % la cual fue obteni­da con celdas basadas en GaAs monocristalino[5]; con celdas basadas en películas delgadas deGaAs se han logrado eficiencias del 24.5%, la cuales también la máxima eficiencia lograda con cel­das fabricadas en forma de película delgada. Des­afortunadamente el costo de celdas fabricadascon esta tecnología es muy alto, lo cual hace que

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este tipo de disp'ositivos sea usado básicamenteen aplicaciones espaciales.La máxima eficiencia reportada para celdas sola­res (de una juntura) de uso terrestre es del 24.5 %y corresponde a celdas basadas en Si monocris­talino [6]. Este resultado fue obtenido con celdasfabricadas con una estructura denominada PERL(Passivated emitter rear locally diffused) que in­corpora novedosos conceptos tecnológicos, tantoen el diseño como. en la estructura del dispositivoPIN que originalmente se desarrolló en los Labo­ratorios Bell. En este caso la eficiencia máxima re­portada para celdas de Si cristalino fabricada con

tecnología de película delgada es del 16.6% [7], lacual fue obtenida usando capas de Si de 45 ~m deespesor, depositadas usando la denominada tec­nología de transferencia.Con celdas solares fabricadas con tecnología depelícula delgada a partir de chalcogenuros, lamáxima eficiencia reportada es del 19.2 % [8], lacual fue obtenida con celdas basadas en el com­puesto Cu (In, Ga) Se2 (CIGS). Un aspecto des­tacable de este tipo de celdas, es que a nivel desubmódulos se han reportado eficiencias del 16.6% [9] que es igual a la eficiencia reportada paraceldas basadas en películas delgadas de Si. Inembargo, el costo de fabricación de las celdas deCIGS es mucho menor que el de las de Si.Con celdas solares basadas en silicio amorfo hi­drogenado (a-Si: H) y silicio nanocristalino, fabri­cadas con tecnología de película delgada la máxi­ma eficiencia reportada es del 9.55 y 10.1 % res­pectivamente [10,11]. La eficiencia de este tipo deceldas es baja, sin embargo estas han sido comer-

.cializadas masivamente por industrias japonesas,principalmente para productos de consumo talescomo calculadoras de bolsillo y relojes digitales.Dentro de las tecnologías de segunda generaciónse encuentran dos nuevos dispositivos, fabrica­dos a partir de materiales considerados emer­gentes debido a que surgieron más recientemente.El primero de estos es basado en óxido de titanionanocristalino sensibilizado con un colorante or­gánico. Con este material se fabrican las denomi­nadas celdas fotoquímicas o celdas sensibilizadascon colorantes, con las cuales se han logrado efi­ciencias del 10.4 % [12]. El segundo dispositivodenominado celda orgánica, es fabricado a partirde materiales orgánicos entre los que se incluyenlos denominados polímeros conjugados. Con estetipo de celdas se han reportado eficiencias del or­den del5 % [2].En relación con las celdas fabricadas con estruc­tura tandem (multijuntura), las máxima eficienciareportada es del 35.2 % [13], la cual fue logradacon un dispositivo de tres junturas, donde comocelda superior se uso una celda basada en GaInP,en la región intermedia una basada en GaInAs yuna celda de Ge fue usada como celda inferior.Para celdas tandem de dos jun turas, la máximaeficiencia reportada es de 30.3% [14]

En la tabla 1 se presentan resultados de las máximaseficiencias reportadas para celdas (con estructura tan­dem y de una juntura) y para módulos, medidas bajocondiciones de radiación solar .AM 1.5 (1000 W1m2)y bajo alta radiación solar obtenida mediante concen­tración de esta [4]. La radiación solar global bajo con­diciones estándar (AM 1.5, 1000 W1m2) es definidacomo un sol.

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Tabla 1: Eficiencias máximas reportadas para celdas(de una juntura y tándem) y módulos, medidas bajocondiciones de radiación AM1.5 (1 sol) y con concen­tración de la radiación solar.

Clasificación Área Intensidad rad. Efic.(cm2) solar (soles) (%)

CELDAS (una juntura)

Si - Cristal. 4 1 24.7Si - Cristal. 1 92 27.6GaAs - Cristal. 3.9 1 25.1GaAs - Cristal. 0.2 216 27.8CIGS - P. dela. 1 1 19.2CIGS - P. delg. 0.1 14 21.5CELDAS TándemGalnP/GaAs/Ge 3.9 1 32GalnP/GaAs/Ge 0.26 333 34.7GalnP/GalnAs/Ge 1 1 35.2GalnP/GalnAs/Ge 0.3 179 39.3MODULaSSi - Cristal. 778 1 22.7Si - Cristal. 1875 80 20.3Si - P, dele:¡, 661 1 8.2CIGS - P. delg. 3459 1 13.4a - Si/a - SiGe

905 1 10.4(Tándem

Los resultados de la tabla 1 muestran que cuando lasceldas y los módulos se iluminan con radiación solarsometida a concentración, éstos incrementan signifi­cativamente su eficiencia de conversión. Este hecho yla reducción de la relación área/watt de los sistemasfotovoltaicos, justifican la inversión adicional que debehacerse en el sistema de concentración de la radiaciónsolar y de seguimiento del sol.

FUTUROS DESARROLLOS DE DISPOSITIVOSFOTOVOLTAICOS

En un intento por predecir la evolución en el futuro dela eficiencia de celdas solares, A. Goetzberger y cola­boradores [15] construyeron una función que se ajustabien a la evolución histórica de las eficiencias obteni­das con celdas fabricadas en el pasado en los mejoreslaboratorios del mundo. Asumiendo que esta funciónpuede ser extrapolada para los desarrollos futuros, losautores pudieron predecir como sería la evolución fu­tura de la eficiencia de celdas solares fabricadas condiferentes tecnologías. La función es relativamentesimple y está dada por la siguiente expresión:

[1]

donde 11 (t) es la eficiencia dependien te del tiempo, 11 L

es el límite asintótico máximo de la eficiencia, ao es elaño para el cual'11(t) es cero, a es el año calendario yc es un parámetro característico del desarrollo en eltiempo.

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Con base en la Ec. 1, los autores encontraron que lamáxima eficiencia teórica que se puede lograr con cel­das solares de Si es del 28%, lo que significa que el es­tado actual del desarrollo de esta tecnología que es laque domina el mercado mundial de módulos FV, estámuy cerca de su límite teórico. De otro lado, la predic­ción sobre el futuro de las celdas basadas en películasdelgadas de Cu (In, Ga) Se2 (CIGS) y de Si) indicanque con este tipo de celdas se podrán obtener en elfuturo eficiencias similares a la del Si cristalino pero acostos significativamente mas bajos.

Dispositivos termo fotovoltaicos

En la conversión termofotovoltaica (TPV) un radiadores calentado a altas temperaturas por el solapar uncombustible y la radiación emitida por este radiadores convertida en electricidad a través de celdas sola­res. El potencial de la eficiencia de este dispositivo esalta porque el puede reciclar los fotones que no sonconvertidos por la celda solar. Esto significa que losfotones que no son absorbidos por la celda o aquelloscon energía superior a la de la banda gap son regre­sados al radiador por reflexión generada a través deun filtro. Una alternativa es el uso de radiadores deemisión selectiva que emite fotones principalmente enel rango de energías deseado.

Como el desarrollo de este tipo de sistema es muycomplejo se están esfuerzos por parte de diferentescentros de investigación de la EU [16] que van desdeel crecimiento de cristales de GaSb hasta el desarrollode celdas tandem para TPV, así como también el desa­rrollo de emisores selectivos nanotexturado o recubri­mientos con erbio o yterbia. Esto también envuelveel desarrollo de prototipos para la concentración y elseguimiento de la radiación solar.

Se piensa que una eficiencia del 35% es una meta real paraceldas de GaSb con emisores selectivos a temperaturas de2100 - 2300 °K obtenido bajo concentración de 1000X.

Conceptos te6ricos para el desarrollo de nuevos ma­teriales fotovoltaicos que darán lugar a materiales detercera generaci6n

Desde el punto de vista teórico es posible sintetizarnuevos materiales fotovoltaicos que podrían dar lugara dispositivos con eficiencias significativamente másaltas que los desarrollados actualmente. En principioestos materiales no han sido aún fabricados, sin em­bargo son diseñados para combinar el efecto de cel­das tandem en un material y para producir eficienciascuánticas mayores que uno.

Existen varias aproximaciones para el desarrollo deestos nuevos materiales, sin embargo los denomina­dos materiales con banda metálica intermedia (BI) [17]son los que han logrado un mayor desarrollo. La ideaes incorporar una banda metálica intermedia en el gapde un semiconductor para lograr que se generen por­tadores mediante absorción de dos fotones con ener­gías menores que la correspondiente al gap Eg sin quese presenten procesos de recombinación a través dela BI, como se muestra en la figura 2a. Estos portado­res se suman a los que se generan mediante absorciónfundamental de fotones que dan lugar a la excitaciónde electrones de la BV a la Be.

La síntesis de materiales semiconductores que exhi­ban una Banda Intermedia puede ser lograda a travésde la incorporación de puntos cuánticos PQ en sand­wich entre una juntura PIN [18], como se muestra enla Fig. 2b. Los puntos cuánticos forman una bandaintermedia de estados discretos que permite absorberfotones de energía menor que Eg. Cálculos teóricosde bandas han permitido predecir el tipo de materia­les que podrían generar una BI [19]. Titanio con confi­guración s2d3, es el elemento favorito para incorporarPQs en la matriz del GaAs o GaP, que darían lugar ala formación de una BI bien separada de la BC y de laBV. Esto se lograría para concentraciones de Ti, corres­pondientes al compuesto Ga

4TiAs3.

Figura 2: Celda solar con Banda intermedia a) Diagrama de bandas, b) Sección transversal y Bl generada por un arreglodePQ

Barrera de SemIconductor•..•.•_ ..••._/1 j

p

Be

EF~----__1t-_+----r---r--_r'

---------'------tII!--...--------'

E1· -"EF-I-:':~':':-==:;~~===t====~==::f::==

o . __~f_~__::_:;::::==~~===I========~

a)Banda de Valencia

b)

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CONCLUSIONES

• A través de una amplia revisión bibliográficase logró dar una visión general sobre el estadoactual del desarrollo de materiales, dispositi­vos y módulos fotovoltaicos.

• Se presentaron los avances tecnológicos logra­dos en el marco de las tecnologías de primeray segunda generación incluyendo los logradoscon los denominados materiales orgánicosy los sensibilizados con coloran tes, así comotambién de los dispositivos termofotovoltai­coso

• También se presentó información relaciona­da con las predicciones que los expertos hanhecho sobre los desarrollos que en el futurose harán en las tecnologías mencionadas y enmateria de los denominados materiales foto­voltaicos de tercera generación con énfasis enlos materiales que incorporan una banda me­tálica intermedia generada a través de puntoscuánticos.

Reconocimientos: Este trabajo fue financiado por laUniversidad Nacional y Colciencias

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