La carrera de la comunidad científica fotovoltaica hacia el último récord de eficiencia

¡2022! ¡Qué año tan increíble! Fue el año en que la industria fotovoltaica alcanzó un teravatio (TW) de instalaciones fotovoltaicas acumuladas en todo el mundo, y en que la primera célula solar en tándem alcanzó una eficiencia de conversión superior al 30% combinando materiales de silicio y perovskita.

Muchos llamaron a este 30% la barrera psicológica de la tecnología: una especie de iniciación de la perovskita como tecnología emergente.

La perovskita es una nueva estructura material que conquistó rápidamente el mundo fotovoltaico, un mundo que suele ser muy reacio a dejarse “impresionar” por innovaciones revolucionarias. Sin embargo, las células solares de perovskita, por su sencillez de procesamiento y sus propiedades únicas, han sido objeto de un estudio masivo en laboratorios académicos y comerciales. No sólo unos pocos, sino miles de investigadores de todo el mundo empezaron a mejorar sus conocimientos y a lograr nuevos récords de eficiencia con este nuevo material. Sólo diez años después de su introducción en la fotovoltaica, se logró un récord de laboratorio del 25% con un dispositivo de un solo material (unión única). Superar el límite de eficiencia de cualquier dispositivo de un solo material (ya sea silicio, perovskita, CIGS, etc.) manteniendo el potencial de bajo costo es la principal laguna que la comunidad fotovoltaica quiere cubrir. Hasta ahora, esto sólo es posible si, en lugar de un único material, se utilizan dos para convertir la luz en electricidad. El silicio y la perovskita son los principales candidatos. El silicio es el actual material a escala TW para la transición energética y la perovskita por sus propiedades de material sintonizable y su potencial de bajo costo. La combinación ofrece la posibilidad de alcanzar una eficiencia superior al 30% en un escenario de bajo costo y gran despliegue. Con estos dos materiales disponibles, la comunidad fue testigo de una carrera para pulverizar el límite del 30% de eficiencia: ¡”la carrera del 30%”!

En 2022, no una, sino varias veces, se superó la barrera del 30% combinando estos materiales. Primero, los investigadores suizos del CSEM/EPFL; después, los socios de TNO, TU-Eindhoven, imec y TU-Delft en Solliance; y, por último, el Helmholtz-Zentrum de Berlín, que demostró una eficiencia de conversión superior al 32% con su célula en tándem. El pasado mes de abril, los investigadores de la KAUST superaron el límite del 33,2%.

Gráfico de las “mejores eficiencias de células en investigación” para una selección de tecnologías fotovoltaicas emergentes (datos NREL, Golden, CO). Resaltado el inicio de la fiebre del 30% -periodo de esfuerzos extremos- (círculo rojo), cuando se desata la fiebre.

La comunidad fotovoltaica no era nueva en esto de superar el 30%, por supuesto, véase por ejemplo los semiconductores III-V, desarrollados principalmente para aplicaciones espaciales, pero es la primera vez que se alcanza esta eficiencia con materiales con potencial de bajo costo como la combinación de silicio con perovskita.

Fiebre fotovoltaica anterior
¿Ha sido ésta la primera “fiebre” de la comunidad fotovoltaica? En absoluto. Si nos fijamos en el gráfico de eficiencia de los campeones mundiales elaborado por el NREL, está claro que también hubo patrones similares en torno a hitos de eficiencia del 20% y el 25%. ¿Cómo se reconocen estos periodos? Fíjese en el aumento de las eficiencias récord de las células justo antes de alcanzar el hito.

Adaptado del gráfico “Best research cell efficiencies” (cortesía de NREL, Golden, CO) para células solares de silicio cristalino. Se destacan los periodos de esfuerzos extremos (círculos rojos), cuando empieza la fiebre, y los periodos más tranquilos (líneas de flechas rojas), que conducen a una nueva fiebre.
En los últimos años, estamos asistiendo a la fiebre “definitiva”. Se trata del objetivo de alcanzar la mayor eficiencia para una célula solar de silicio monomaterial, cuyo límite teórico se sitúa en torno al 29%. El objetivo sería obtener el récord más alto y definitivo. El último récord de eficiencia lo ostenta Longi, con un 26,8%, y muchas empresas tienen intención de batirlo pronto.

La vida después del “subidón
Históricamente, tras alcanzar un récord importante, hay un periodo en el que el desarrollo parece ralentizarse. Tras la fiebre del 20%, hubo un periodo de 10 años en el que no se alcanzó ningún nuevo récord. Del mismo modo, tras alcanzar el umbral del 25%, hubo un lapso de 20 años.

Entonces, ¿qué ocurre en la comunidad fotovoltaica entre cada gran récord? Para entenderlo, hay que fijarse no sólo en el gráfico de eficiencia de los récords de laboratorio, sino en las tendencias de fabricación e instalación. La mayoría de estos récords se logran en pequeñas superficies, en entornos de investigación. El siguiente paso consiste en escalar a grandes áreas mediante innovaciones que simplifiquen el procesamiento y la fabricabilidad y, en última instancia, llevarlo a la producción en masa. Para ello es necesario el esfuerzo del mundo académico, los institutos de investigación y las empresas. Por poner un ejemplo, hace unos 12-15 años, los investigadores se centraban en el desarrollo de un nuevo concepto de célula basada en silicio de tipo n. Entonces, la regla empírica era que la célula de silicio de tipo n era la más adecuada. Entonces, la regla general era que una nueva arquitectura de célula ni siquiera se consideraba hasta que su eficiencia superara el 20% en un área de oblea de 6 pulgadas (en aquel momento, el récord de laboratorio estaba en el 25%). Esta regla pretendía demostrar la importancia de la eficiencia en grandes superficies y no “sólo” en laboratorio. Tras un periodo de apuro, la investigación se centra en reducir la distancia entre el récord de laboratorio y la eficiencia de las células producidas en serie.

Si la historia se repite, a partir de este año se dedicarán importantes recursos a la industrialización de células y módulos tándem de perovskita/silicio. Existen cuatro grandes retos para la realización de tándems comerciales. En primer lugar, basándose en la tecnología de registro, la pila de materiales de mayor rendimiento debe escalarse hasta tamaños relevantes para la industria (más de 100s cm2). En segundo lugar, la fiabilidad de este dispositivo de gran superficie debe demostrarse en condiciones exteriores adecuadas. En tercer lugar, todas las tecnologías potenciales necesitan un análisis tecnoeconómico detallado de la relación costo/beneficio y la viabilidad de fabricación y (ojalá) un análisis completo del ciclo de vida. Esto incluye la disponibilidad de materiales y nuevas herramientas para la deposición de perovskita y capas de transporte. Por último, es necesario demostrar la fabricación a gran escala -con herramientas de alto rendimiento y materiales abundantes- de una célula y un módulo en tándem fiables, rentables y totalmente integrados para que la tecnología sea financiable. Sólo entonces la fiebre del 30% habrá completado el ciclo.

Por supuesto, para la comunidad científica, tras un nuevo récord importante siempre hay otro umbral. Y en el caso de los dispositivos en tándem, estamos experimentando una rotación de récords de eficiencia mucho más rápida, típica de la fase inicial de desarrollo de una nueva tecnología que encierra un potencial increíble. ¿Cuánto cree que tardará la comunidad fotovoltaica en alcanzar el 35%?

Gianluca Coletti es catedrático adjunto de la Universidad de Nueva Gales del Sur de Sydney y director del programa de tecnología fotovoltaica en tándem y aplicaciones de la Organización de los Países Bajos para la Investigación Científica Aplicada (TNO), que actualmente intenta introducir en el mercado una tecnología de células solares en tándem de dos terminales (2T) de perovskita-silicio en el marco de un proyecto de investigación de cuatro años denominado FIT4Market.