La energía solar es una de las fuentes más favorable para el medio ambiente, que en principio podría proporcionar toda la energía necesaria para el planeta. Las células solares utilizan el efecto fotovoltaico para convertir la energía solar en energía eléctrica aprovechable, y por lo tanto son una tecnología clave para proporcionar al mundo con energía barato y fiable. Las células solares de silicio son una tecnología muy prometedora donde significativas mejoras tecnológicas son aún posibles que garanticen nuevas reducciones de precios y el aumento de instalaciones.
Reduciendo las pérdidas debidas a las superficies de materiales e interfaces
El proyecto de Ruy Sebastián Bonilla apunta a mejorar la eficiencia de las células solares de silicio, reduciendo las pérdidas debidas a las superficies de materiales e interfaces. La investigación aquí propuesta ampliará la actual comprensión de los mecanismos de la pérdida de carga para las superficies de semiconductores. Su trabajo permitirá la mejora y el abaratamiento de las celdas que se producen, y proporcionará los conocimientos necesarios para mejorar la fabricación de una variedad de dispositivos optoelectrónicos. Los beneficios de esta investigación no sólo incluyen el avance científico de semiconductores y dieléctricos físicos, sino también el potencial de mejora en el funcionamiento y una reducción en el coste de fabricación de estos dispositivos. Mayor absorción de energía solar permite una reducción directa de las emisiones de CO2 y la seguridad energética a largo plazo.
Por otro lado, las células solares más comunes están basadas en el efecto fotovoltaico, en el cual la luz que incide sobre un dispositivo semiconductor de dos capas produce una diferencia de potencial entre las capas que conduce una corriente a través de un circuito externo. Las células solares de silicio disponibles en la actualidad tienen una eficiencia de conversión del 15-20%.
Evolución de las células solares es la siguiente:
- Las células solares de primera generación se construyen a partir de obleas de silicio semiconductor.
- Las de segunda generación introducen la tecnología de láminas delgadas, y tienen varios inconvenientes:
- Las capas semiconductoras se depositan mediante alto vacío, lo que resulta complejo y caro.
- Se colocan sobre un substrato de vidrio que requiere de procesos para establecer los contactos eléctricos.
- La tercera generación de células solares está basada también en láminas delgadas, pero no tiene esas dificultades ya que las capas de material semiconductor se depositan directamente sobre un metal. Además, las capas semiconductoras se aplican mediante un chorro de tinta que contiene partículas semiconductoras nanométricas empleando un proceso de impresión rotativa parecido al utilizado para imprimir periódicos y revistas, lo que resulta mucho más barato. Las capas depositadas sobre el metal son de CuInGaSe y CdS que sustituyen a los diferentes tipos de silicio P y N de las células tradicionales. Además, se aplica una capa de ZnO que actúa como un electrodo, siendo el metal el otro electrodo.
Los paneles solares convencionales filtran la luz ultravioleta o la absorbe el silicio y la convierte en un calor que no sirve para la electricidad. Pero si se emplean nanopartículas, estas pueden aprovechar esa luz ultravioleta y convertirla en electricidad, por lo que se aprovecha mucho más la luz solar. Integrando una fina capa de nanopartículas de silicio de un nanómetro de tamaño dentro de las células solares de silicio, se mejora el rendimiento energético en un 60% en el rango del espectro ultravioleta. Otro tipo de células solares empleadas son las células solares orgánicas, que presentan ventajas como que son más delgadas, flexibles y más fáciles de producir. Estas células pueden mejorar, por ejemplo, algunos electrodomésticos. Se ha desarrollado una técnica para mejorar la eficiencia de estas células solares orgánicas, protegiéndolas con una capa que contiene una mezcla de nanopartículas inorgánicas de seleniuro de cadmio y un polímero orgánico. También se ha experimentado con unos polímeros semiconductores que incluyen pequeños fragmentos de plata, capaces de absorber la energía solar y generar electricidad de un modo más eficiente y económico que los métodos convencionales.
Las nanopartículas de plata permiten que los polímeros capturen una amplia gama de longitudes de onda de la luz solar que de otra manera no se aprovecharían. La adición al polímero de estas nanopartículas aumentaría en un 12% la generación eléctrica. Además de emplear las nanopartículas para mejorar la eficiencia de las células solares, también se está desarrollando una técnica de bajo coste para fabricar células solares con nanocables, que podría reducir los costes de producción de las células manteniendo sus niveles de eficiencia. Para la fabricación de células solares de nanocables se emplean semiconductores de sulfuro de cadmio para el núcleo y sulfuro de cobre para la estructura. Estas células son baratas y fáciles de fabricar, y tienen una eficiencia de conversión energética del 5,4%, comparable a la de las células solares planas.
Este bajo rendimiento puede ser debido a la recombinación superficial y al poco control sobre la calidad de las uniones p-n en procesos a alta temperatura. Para solucionar esto, se reemplazan las uniones p-n de las células solares convencionales por una unión p-n radial, en la que una capa de silicio de tipo n forma una capa alrededor de un núcleo de nanocables de silicio tipo p. Esto hace que cada uno de los nanocables actúe como una célula fotovoltaica y mejora la eficiencia de captura de luz de las células de silicio. Para la fabricación de nanocables se emplea sulfuro de cadmio y sulfuro de cobre, pero utilizando una solución química. Estos se prepararon con una reacción de intercambio catiónico en solución, que consiste en sumergir los nanocables de sulfuro de cadmio en una solución de cloruro de cobre produciéndose el intercambio catiónico que convierte la capa superficial de sulfuro de cadmio en un caparazón de sulfuro de cobre.
Se piensa que se podría mejorar la eficiencia de conversión energética de los nanocables de las células solares aumentando la cantidad de material de la capa de sulfuro de cobre. Para que sea viable se necesita alcanzar una eficiencia de conversión de energía de por lo menos un 10%. Por lo que, las investigaciones en este campo son necesarias y nos ayudarán a encontrar soluciones más viables para el aprovechamiento de la energía fotovoltaica.
