Cuánto polisilicio es suficiente

Un grupo de investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft (Países Bajos) ha realizado una evaluación estadística global del grosor que deben tener las células solares para alcanzar la misma eficiencia en función de las distintas condiciones geográficas.

“En nuestro trabajo, tratamos de definir los parámetros óptimos de diseño de las células solares, como los cambios de grosor de la oblea por espectro de irradiancia que incide sobre la célula fotovoltaica y su temperatura”, explicó a pv magazine el autor principal de la investigación, Hesan Ziar. “Si asumimos las condiciones de ensayo estándar (STC) como condiciones de trabajo, que es lo que hacemos ahora en la industria fotovoltaica, el diseño no será óptimo para todas las ubicaciones terrestres, tanto en términos de rendimiento energético como de uso de materiales. Por tanto, es mejor definir nuevas condiciones de ensayo adaptadas a cada región del mundo, o al menos una para todo el mundo, y diseñar y fabricar las células en consecuencia”.

Como alternativa, los científicos propusieron una definición de lo que denominaron condiciones de prueba al aire libre (OTC, por sus siglas en inglés). “OTC no significa que la prueba deba hacerse al aire libre. Significa que las condiciones de la prueba son representativas de las condiciones de trabajo en exteriores de las células solares”, explicó Ziar. “A diferencia del STC, es más probable que el OTC ocurra en las células solares durante su vida útil, por lo que es mejor diseñar las células en función de las condiciones reales de trabajo en el exterior. Al igual que la STC, la OTC puede reproducirse y aplicarse en un entorno controlado de laboratorio. Disponer de una definición de OTC y aplicarla facilita el diseño de células solares eficientes desde el punto de vista de los materiales y aumenta el rendimiento eléctrico de las células solares”.

El equipo de investigación también sugirió regionalizar la fabricación de módulos solares en función de los distintos niveles de uso del polisilicio. “Producción regionalizada significa producir para una región y no necesariamente producir en esa región”, declaró Ziar. “Por ejemplo, se pueden fabricar células en China pero adaptarlas para que funcionen mejor en Australia. Como el lugar de producción no cambia necesariamente, seguirá teniendo sentido desde el punto de vista económico. Además, como se optimiza el grosor, se utiliza menos polisilicio, por lo que hay potencial para tener células aún más baratas”.

En el artículo “A global statistical assessment of designing silicon-based solar cells for geographical markets” (Evaluación estadística global del diseño de células solares de silicio para mercados geográficos), publicado recientemente en Joule, los científicos realizaron un modelado exhaustivo y detallado de células solares de silicio monofaciales, bifaciales y en tándem para todo el planeta generando 8 TB de datos mediante la base de datos atmosféricos de la NASA. Consideraron, en particular, dos configuraciones principales de células: los dispositivos de silicio de unión simple y las células de silicio X de dos terminales.

“Un escenario plausible es que la fotovoltaica de silicio de una sola unión se mantenga como la principal protagonista debido a su bajo coste, su naturaleza no tóxica, su longevidad, su estabilidad y las infraestructuras bien establecidas que ya la soportan”, afirman. “En este contexto, los tándems responderán a necesidades y aplicaciones específicas”.

El grupo de investigación también propuso una serie de métodos poblacionales y de promedios ponderados por valores para sugerir condiciones representativas de ensayo y diseño de células solares. Consideró parámetros como la eficiencia máxima alcanzable de la célula optimizada para cada ubicación geográfica, el grosor óptimo de la oblea, el exceso de concentración de portadores en el punto de máxima potencia (MPP) y la densidad de población mundial en el año 2020.

“Podemos ver que el grosor óptimo del Si cambia radicalmente a lo largo del globo, mientras que todas las células óptimas se encuentran en alta inyección”, especificaron los académicos. “Es evidente que el grosor óptimo de la oblea en el mercado europeo de Si fotovoltaico es casi el doble que el del mercado australiano. A irradiancia y temperatura elevadas, el punto de equilibrio del aumento de la corriente fotogenerada con la disminución del voltaje se produce a espesores más bajos”.

En un paso más, generaron mapas de alta resolución para optimizar los parámetros de las células solares en todas las ubicaciones terrestres de la Tierra teniendo en cuenta más de 15.000 localizaciones.

“Nuestros hallazgos muestran que ese 16% del consumo de polisilicio podría haberse ahorrado en 2022 si la industria fotovoltaica contara con unas condiciones de ensayo y diseño de las células solares más representativas”, subraya Ziar. “El silicio es, en efecto, un material que abunda en la Tierra, pero cuando tenemos mucho de algo, ¿significaría eso que debemos desperdiciarlo cuando podemos preservarlo mediante una producción más inteligente, o digamos más adaptada?”. subrayó Ziar. “Podemos tener una práctica más sostenible y eficiente en recursos para la producción de células fotovoltaicas”.