Energía solar en tándem de capa fina en EE.UU.

Las células solares en tándem sin silicio son un tema de investigación para los laboratorios comerciales, académicos e institucionales de Estados Unidos. Investigadores del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL, por sus iniciales en inglés) del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE) han publicado en la revista Joule una hoja de ruta de la tecnología en tándem que incluye combinaciones emergentes de tándem totalmente orgánico y perovskita y dispositivos de telururo de cadmio (CdTe) y diseleniuro de cobre, indio y galio (CIGS).

Varios equipos de Estados Unidos han anunciado células de película delgada a escala de laboratorio con eficiencias de conversión superiores al 27%. «Andries Wantenaar, analista solar de la empresa de inteligencia de mercado Rethink Research, afirma: «Los tándems de película delgada son el camino lógico a seguir. «Las universidades están consiguiendo eficiencias notables. La primera oleada es la de una sola unión, luego el tándem perovskita-silicio y, finalmente, la de película delgada».

La ventaja de la capa fina

First Solar es el mayor fabricante fotovoltaico de capa fina. Produce paneles de CdTe para energía solar a gran escala y está invirtiendo en aumentar su capacidad de producción anual a 25 GW en 2026. La empresa está invirtiendo en I+D centrada en células de mayor eficiencia y en 2024 anunció una célula de CdTe con una eficiencia del 23,1% y una célula de CIGS con una eficiencia del 23,6%, estableciendo récords para ambas tecnologías. El consejero delegado Mark Widmar subraya constantemente la importancia de la capa fina en la comercialización de dispositivos en tándem de alta eficiencia, un mensaje que repitió en la puesta en marcha del nuevo centro de investigación de First Solar en Ohio en julio de 2024.

El Centro Jim Nolan forma parte de una inversión de aproximadamente 500 millones de dólares en I+D por parte de First Solar. La instalación de 1,3 millones de pies cuadrados (120.000 m2) incluye soporte de fabricación piloto para prototipos a tamaño real de módulos fotovoltaicos de capa fina y en tándem.

En mayo de 2024, First Solar recibió 6 millones de dólares para desarrollar un dispositivo en tándem de célula superior de perovskita y célula inferior de CIGS. El objetivo es un diseño con una eficiencia del 27% que pueda ampliarse a «minimódulos» con procesos de fabricación prácticos. La financiación fue anunciada en mayo de 2024 por la iniciativa de la Oficina de Tecnologías de la Energía Solar del DOE para impulsar la producción solar de capa fina en Estados Unidos.

Un mes antes, First Solar anunció una asociación con el Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung (ZSW), en Alemania, para centrarse en el rendimiento y el potencial de «desarrollar y optimizar tecnologías en tándem de película delgada a escala de gigavatios».

ZSW es conocida por sus procesos de fabricación de películas finas para sustratos rígidos y flexibles. «Nuestra experiencia de décadas en fotovoltaica de capa fina encaja perfectamente con los tándems, que siempre contienen al menos una célula de capa fina», afirma Stefan Paetel, investigador de ZSW.

En febrero de 2024, el Centro Europeo de Tecnología First Solar y la Universidad sueca de Uppsala lograron el récord de eficiencia de una célula CIGS con un 23,6%. La directora del equipo de la universidad sueca, Marika Edoff, comentó el potencial que encierra la energía solar en tándem. «Para la tecnología CIGS, conocida por su alta fiabilidad, un récord mundial también significa que puede ofrecer una alternativa viable para nuevas aplicaciones en, por ejemplo, células solares en tándem», dijo.

En diciembre de 2023, los investigadores de First Solar publicaron una perspectiva industrial sobre las células solares en tándem de película totalmente delgada en la revista Journal of Physics: Energy. Los investigadores concluyeron que es muy probable que las células solares en tándem de alta eficiencia se fabriquen en grandes cantidades «en un futuro previsible», a pesar de que la calidad de los dispositivos y los materiales no sea ideal.

Nuevas empresas

Varias empresas emergentes con sede en EE.UU. trabajan en dispositivos tándem de perovskita y silicio, como CubicPV, Caelux, Swift Solar y Tandem PV. Las perspectivas compartidas también son positivas sobre el futuro de los tándems sin silicio.

«Los tándems de película delgada podrían ser una perspectiva a largo plazo, pero aún queda trabajo por hacer en la célula inferior, sobre todo si va a ser una célula inferior de perovskita», dijo John Iannelli, fundador de Caelux.

Según Iannelli, a diferencia de las «enormes mejoras en estabilidad y eficiencia logradas con las células superiores de perovskita de banda ancha», la investigación sobre perovskitas para la célula inferior es «algo escasa». De cara al futuro, Iannelli ve probable un enfoque de cuatro terminales (4T) para los tándems totalmente de perovskita. Sería el mismo método utilizado en la línea de productos CaeluxOne, una solución de vidrio activo con perovskita en el interior del vidrio de cubierta para permitir a los fabricantes de módulos de silicio cristalino aumentar la eficiencia de los paneles de tamaño estándar. Por ejemplo, un panel de silicio convencional con una eficiencia del 21,5% se convierte en un dispositivo tándem con una eficiencia del 27%, según Iannelli.

En CubicPV, un portavoz de la empresa dijo que los tándems de perovskita-perovskita tienen potencial, «pero el tiempo de desarrollo es muy largo… Hay importantes retos científicos asociados a la perovskita como capa inferior en un módulo».

Scott Wharton, consejero delegado de Tandem PV, expresó una opinión similar. «Creemos que un tándem de perovskita-perovskita podría estar en nuestra hoja de ruta», comentó. «Pero a corto plazo nos centramos en la perovskita-silicio como enfoque más práctico».

En la actualidad, Swift Solar está desarrollando sistemas fotovoltaicos en tándem de perovskita de alta eficiencia, según su consejero delegado, Joel Jean. «Ahora mismo estamos centrados en tándems de perovskita-silicio, pero en el futuro podríamos ver un producto en tándem totalmente de perovskita», dijo Jean.

Swift Solar informó de los avances en la velocidad de deposición de películas finas, que ahora es 10 veces más rápida que hace dos años. Jean también dijo que la empresa «no ha agotado en absoluto las ganancias potenciales».

Verde Technologies, una empresa emergente dedicada a la perovskita, ha seguido desde el principio un camino sin silicio. Fundada en 2021, Verde está desarrollando una tecnología de perovskita de una sola unión con una eficiencia del 22%, que fabrica mediante un proceso de rollo a rollo. En el laboratorio de Verde está en marcha un proyecto de tándem de película delgada.

«Tenemos una asociación con una entidad comercial que aspira a conseguir tándems con una eficiencia del 30% para 2027-28», afirma Chad Miller, director tecnológico de Verde Technologies. «Es el tipo de cambio radical que esperamos para la industria fotovoltaica».

Miller añadió que un resultado así evitaría la cadena de suministro fotovoltaica de silicio convencional «con todos sus retos.»

Investigación y universidades

Varios equipos universitarios estadounidenses investigan dispositivos solares en tándem sin silicio. Por ejemplo, en el Wright Center for Photovoltaics Innovation and Commercialization (PVIC), de la Universidad de Toledo, los investigadores demostraron un tándem de 4T fabricado con su propia célula inferior de telururo de selenio y cadmio y una célula superior de haluro metálico de perovskita y un diseño de contacto posterior, que alcanzó una eficiencia del 25%. El mismo grupo también demostró una célula solar en tándem totalmente de perovskita con una eficiencia del 27,8%.

«La investigación en tándem es un área de creciente importancia e interés en la comunidad científica», explica Zhaoning Song, director del PVIC. «Muchos investigadores y empresas buscan soluciones para liberar el potencial de las células solares en tándem. Los tándems de película fina son muy prometedores para futuras aplicaciones, pero también necesitan más investigación y desarrollo para desarrollar todo su potencial».

En la Universidad Northwestern, dentro del Grupo Sargent del Departamento de Química, colaboraciones recientes han dado como resultado dispositivos de tamaño de laboratorio, totalmente de película delgada, con estabilidad mejorada y eficiencias de conversión de potencia de hasta el 28,1%. «Además de las dobles uniones de perovskita, las células solares de triple unión tienen un gran potencial para lograr eficiencias aún mayores», afirma el profesor adjunto Bin Chen.

«Para conseguirlo, tenemos que desarrollar materiales de banda prohibida más ancha. La buena noticia es que muchas de las técnicas que hemos utilizado para las uniones dobles también sirven para las triples, por lo que esperamos ver muchos avances en la eficiencia de las uniones triples en los próximos años».

De cara al futuro

La comercialización de la tecnología tándem y multiunión de película totalmente delgada podría permitir una flexibilidad mucho mayor del factor de forma, entre otras ventajas. A su vez, una mayor variedad de factores de forma y especificaciones de los módulos podría abrir nuevas aplicaciones para la energía solar. La capacidad de generar más energía por unidad de superficie, gracias a los dispositivos de película fina de alta eficiencia, también haría que la energía fotovoltaica fuera práctica para muchas más aplicaciones, lo que podría acelerar la adopción de la energía solar. «Lo que se necesita para los próximos cinco teravatios de adopción de la fotovoltaica no es lo mismo que lo que se necesitó para los cinco primeros», dijo Joseph Berry, investigador del NREL y coautor de la hoja de ruta.

Mientras tanto, la mejora de la estabilidad y la vida útil de los módulos son áreas de investigación clave. Si se van a utilizar perovskitas, se necesitan nuevos modelos para predecir la producción de energía y nuevas técnicas para medir el rendimiento de los módulos, según Timothy Silverman, que dirige las pruebas de campo de los módulos de perovskita del NREL desde 2022 en el acelerador fotovoltaico financiado por el DOE para la comercialización de tecnologías.

En el pasado hubo que superar problemas de cualificación similares con otras tecnologías de capa fina, según Silverman. «Por eso es importante empezar a estudiarlo ahora», añadió.

Según Emily Warren, investigadora del NREL y coautora de la hoja de ruta, para superar los retos de la tecnología en tándem relacionados con la complejidad de la integración de las subceldas, los problemas de termalización y la necesidad de una tecnología de deposición eficiente, entre otros, es probable que los consorcios de organizaciones comerciales y de investigación impulsen el progreso en los próximos años. «Como laboratorio nacional, la investigación sobre esta tecnología debe hacerse ahora para que sea una posibilidad dentro de cinco o seis años», dijo.

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