496251110003

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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
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Estado del arte de los materiales fotovoltaicos
y de la tecnología solar fotovoltaica
J.s. Oyola " Gerardo Gordillo G ..
• Estudiante postrado. Oepartamento de Física, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá
jsoyolav@unal.edu.ro (Autor corresponsal)
•• Profesor titular. Oepartamento de Física, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá
ggordíllog@unal.edu.co
Recibido: Julio 15 de 2007 - Aceptado: Septiembre 30 de 2007
......................... . _ ,
RESUMEN
Este artículo presenta el estado actual tanto del desarrollo de los materiales fotovoltaicos incluyendo
materiales emergentes entre los que se encuentran los polímeros conductores como el de las tecnologías
usadas en la fabricación de celdas y módulos fotovoltaicos. Se hará énfasis en los avances tecnológicos
logrados en el desarrollo de dispositivos y módulos fotovoltaicos fabricados con tecnologías de primera
ysegunda generación. También se presenta una visión fu turista sobre e) desarrollo de nuevos materiales
fotovoltaicos que actualmente están en etapa de diseño, pero que se espera puedan ser fabricados usan-
do la denominada tecnología de tercera generación.
Palabras clave: Tecnología fotovoltaica, celdas solares, materiales fotovoltaicos, tecnología de tercera
generación.
ABSTRACT
This paper present an overview of the state of the art of the photovoltaics materials including emergent
materials like conductor polymers as well as of the technologies used for fabrication of solar cells and
photovoltaic modules. It will emphasized in the technological advances achieved for developing photo-
voltaic 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 devices
based on thin films, which includes emergent materials such as conductor polymers. A futurist overview
of the new photovoltaic materials is also presented. This materials are yet in the design stage, however it
is hoped than they can be fabricated using third generation technologies.
Key words: Photovoltaic technology, photovoltaic materials, solar cells, third generation technology.
l. .. ~ ~,,_.. _ _._...•.._•.....__._._..__.._ ..__. _ _ _ .. .._ _
INTRODUCCIÓN
La tecnología solar fotovoltaica tuvo su inicio en
1954, cuando investigadores de los laboratorios Bell
de los Estados Unidos desarrollaron la primera celda
solar de estado sólido usando silicio cristalino como
material fotovo1taico [1]. Esta tecnología, denominada
de prímera generación, fue usad.a inicialmente para ge-
nerar la potencia eléctrica requerida en los programas
espaciales, sin embargo a comienzos de la década del
70 se inició un gran programa encaminado al desarro-
llo de nuevos materiales fotovoltaicos con el propósito
de fabricar celdas solares para uso terrestre. Este pro-
11
grama incluía además de silicio, otra gran variedad de
materiales fotovoltaicos que permitieron fabricar cel-
das usando una nueva tecnología conocida como de
capa delgada o de segunda generación. A finales de la
década del 80 se inició el desarrollo de un nuevo tipo
de materiales fotovoltaicos denominados emergentes,
que permitieron fabricar las denominadas celdas or-
gánicas basadas en polímeros conductores [2].
Se han hecho enormes avances tecnológicos que han
conducido a un aumento significativo de la eficiencia
de conversión de las celdas solares sin embargo esta
está limitada por el hecho de que en celdas convencio-
nales solo se aprovecha una parte del espectro solar.
Estado del arte de los materiales fotovoltaicos y de la tecnología solar fotovoltaica, págs. 11-15
Para aprovechar mejor el espectro solar se han venido
desarrollando las denominadas celdas multijuntura o
tandem [3], que están constituidas por dos o más cel-
das apiladas una encima de otra.
Recientemente se dio inicio al diseño de nuevos mate-
riales fotovoltaicos clasificados como de tercera gene-
ración que no han sido aún sintetizados en el labora-
torio, pero que podrían ser fabricados usando nuevas
tecnologías.
2. ESTADO ACTUAL DE LOS MATERIALES Y DE
LA TECNOLOGíA SOLAR FOTOVOLTAICA
Los máximos valores de eficiencia de conversión que
hasta el momento se han reportado para celdas y sub-
módulos fabricados con tecnologías de primera y se-
gunda generación, incluyendo dispositivos tandem
y los fabricados a partir de materiales emergentes se
pueden visualizar en la Fig. 1 [4].
Figura 1: Eficiencia de conversión de celdas solares y submódulos fabricados con diferentes tecnologías. Medi-
ciones realizadas bajo una irradiancia AM1.5 (100 W1m2).
Efficiency (%)
, Mi
o <.ro
Silicon
Si t'rystalline J
1
Si (Inultlcrystalline J
Si (tilln-film transferl l' I@
Si ¡tilin-film submodule I \' n
III-VCells
GaAs (crystalline I
GaAs ¡Ulln-f¡1111I
GaAs (mlllucrystalline i
InP ¡crystallinei
Thin-film chalcogenide
CIGS (cell¡
CIGS (sllbl11odule)
CdTe(cell¡
.A.morpholls/nanocrystallíne SI
Si I amorphous,
Si lI1anocrystalline I
Photochel11lcal
Oye sensitised
Oye sensitised (sllbl11odule I -- ~:;.~
Organlc
Organic polymery -
MlIltijllnc1Jon devlces
GalnP/GaAs/Ge
GalnP/GaAs
GaAs/CIS ¡tilin-fill11I
a-Siímc-Si (tilín submodule 1
<:> "o 1)Ul
= i
w
o
w
U>
En la Figura 1 se compara la eficiencia máxima repor-
tada hasta el momento para celdas y submódulos, fa-
bricados con diferentes materiales y tecnologías. De
estos resultados se destacan los siguientes hechos:
La más alta eficiencia lograda con celdas solares
(de una juntura) es del 25.1 % la cual fue obteni-
da con celdas basadas en GaAs monocristalino
[5]; con celdas basadas en películas delgadas de
GaAs se han logrado eficiencias del 24.5%, la cual
es también la máxima eficiencia lograda con cel-
das fabricadas en forma de película delgada. Des-
afortunadamente el costo de celdas fabricadas
con esta tecnología es muy alto, lo cual hace que
12
este tipo de disp'ositivos sea usado básicamente
en aplicaciones espaciales.
La máxima eficiencia reportada para celdas sola-
res (de una juntura) de uso terrestre es del 24.5 %
y corresponde a celdas basadas en Si monocris-
talino [6]. Este resultado fue obtenido con celdas
fabricadas con una estructura denominada PERL
(Passivated emitter rear locally diffused) que in-
corpora novedosos conceptos tecnológicos, tanto
en el diseño como. en la estructura del dispositivo
PIN que originalmente se desarrolló en los Labo-
ratorios Bell. En este caso la eficiencia máxima re-
portada para celdas de Si cristalino fabricada con
tecnología de película delgada es del 16.6% [7], la
cual fue obtenida usando capas de Si de 45 ~m de
espesor, depositadas usando la denominada tec-
nología de transferencia.
Con celdas solares fabricadas con tecnología de
película delgada a partir de chalcogenuros, la
máxima eficiencia reportada es del 19.2 % [8], la
cual fue obtenida con celdas basadas en el com-
puesto Cu (In, Ga) Se2 (CIGS). Un aspecto des-
tacable de este tipo de celdas, es que a nivelde
submódulos se han reportado eficiencias del 16.6
% [9] que es igual a la eficiencia reportada para
celdas basadas en películas delgadas de Si. In
embargo, el costo de fabricación de las celdas de
CIGS es mucho menor que el de las de Si.
Con celdas solares basadas en silicio amorfo hi-
drogenado (a-Si: H) y silicio nanocristalino, fabri-
cadas con tecnología de película delgada la máxi-
ma eficiencia reportada es del 9.55 y 10.1 % res-
pectivamente [10,11]. La eficiencia de este tipo de
celdas es baja, sin embargo estas han sido comer-
.cializadas masivamente por industrias japonesas,
principalmente para productos de consumo tales
como calculadoras de bolsillo y relojes digitales.
Dentro de las tecnologías de segunda generación
se encuentran dos nuevos dispositivos, fabrica-
dos a partir de materiales considerados emer-
gentes debido a que surgieron más recientemente.
El primero de estos es basado en óxido de titanio
nanocristalino sensibilizado con un colorante or-
gánico. Con este material se fabrican las denomi-
nadas celdas fotoquímicas o celdas sensibilizadas
con colorantes, con las cuales se han logrado efi-
ciencias del 10.4 % [12]. El segundo dispositivo
denominado celda orgánica, es fabricado a partir
de materiales orgánicos entre los que se incluyen
los denominados polímeros conjugados. Con este
tipo de celdas se han reportado eficiencias del or-
den del5 % [2].
En relación con las celdas fabricadas con estruc-
tura tandem (multijuntura), las máxima eficiencia
reportada es del 35.2 % [13], la cual fue lograda
con un dispositivo de tres junturas, donde como
celda superior se uso una celda basada en GaInP,
en la región intermedia una basada en GaInAs y
una celda de Ge fue usada como celda inferior.
Para celdas tandem de dos jun turas, la máxima
eficiencia reportada es de 30.3% [14]
En la tabla 1 se presentan resultados de las máximas
eficiencias reportadas para celdas (con estructura tan-
dem y de una juntura) y para módulos, medidas bajo
condiciones de radiación solar .AM 1.5 (1000 W1m2)
y bajo alta radiación solar obtenida mediante concen-
tración de esta [4]. La radiación solar global bajo con-
diciones estándar (AM 1.5, 1000 W1m2) es definida
como un sol.
13
Vol. 5, No. 2, Julío - Die de 2007
Tabla 1: Eficiencias máximas reportadas para celdas
(de una juntura y tándem) y módulos, medidas bajo
condiciones de radiación AM1.5 (1 sol) y con concen-
tración de la radiación solar.
Clasificación Área Intensidad rad. Efic.(cm2) solar (soles) (%)
CELDAS (una juntura)
Si - Cristal. 4 1 24.7
Si - Cristal. 1 92 27.6
GaAs - Cristal. 3.9 1 25.1
GaAs - Cristal. 0.2 216 27.8
CIGS - P. dela. 1 1 19.2
CIGS - P. delg. 0.1 14 21.5
CELDAS Tándem
GalnP/GaAs/Ge 3.9 1 32
GalnP/GaAs/Ge 0.26 333 34.7
GalnP/GalnAs/Ge 1 1 35.2
GalnP/GalnAs/Ge 0.3 179 39.3
MODULaS
Si - Cristal. 778 1 22.7
Si - Cristal. 1875 80 20.3
Si - P, dele:¡, 661 1 8.2
CIGS - P. delg. 3459 1 13.4
a - Si/a - SiGe
905 1 10.4(Tándem
Los resultados de la tabla 1 muestran que cuando las
celdas y los módulos se iluminan con radiación solar
sometida a concentración, éstos incrementan signifi-
cativamente su eficiencia de conversión. Este hecho y
la reducción de la relación área/watt de los sistemas
fotovoltaicos, justifican la inversión adicional que debe
hacerse en el sistema de concentración de la radiación
solar y de seguimiento del sol.
FUTUROS DESARROLLOS DE DISPOSITIVOS
FOTOVOLTAICOS
En un intento por predecir la evolución en el futuro de
la eficiencia de celdas solares, A. Goetzberger y cola-
boradores [15] construyeron una función que se ajusta
bien a la evolución histórica de las eficiencias obteni-
das con celdas fabricadas en el pasado en los mejores
laboratorios del mundo. Asumiendo que esta función
puede ser extrapolada para los desarrollos futuros, los
autores pudieron predecir como sería la evolución fu-
tura de la eficiencia de celdas solares fabricadas con
diferentes tecnologías. La función es relativamente
simple 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 el
año para el cual'11(t) es cero, a es el año calendario y
c es un parámetro característico del desarrollo en el
tiempo.
Estado del arte de los materiales fotovoltaicos y de la tecnología solar fotovoltaica, págs. 11-15
Con base en la Ec. 1, los autores encontraron que la
máxima eficiencia teórica que se puede lograr con cel-
das solares de Si es del 28%, lo que significa que el es-
tado actual del desarrollo de esta tecnología que es la
que domina el mercado mundial de módulos FV, está
muy cerca de su límite teórico. De otro lado, la predic-
ción sobre el futuro de las celdas basadas en películas
delgadas de Cu (In, Ga) Se2 (CIGS) y de Si) indican
que con este tipo de celdas se podrán obtener en el
futuro eficiencias similares a la del Si cristalino pero a
costos significativamente mas bajos.
Dispositivos termo fotovoltaicos
En la conversión termofotovoltaica (TPV) un radiador
es calentado a altas temperaturas por el solapar un
combustible y la radiación emitida por este radiador
es convertida en electricidad a través de celdas sola-
res. El potencial de la eficiencia de este dispositivo es
alta porque el puede reciclar los fotones que no son
convertidos por la celda solar. Esto significa que los
fotones que no son absorbidos por la celda o aquellos
con energía superior a la de la banda gap son regre-
sados al radiador por reflexión generada a través de
un filtro. Una alternativa es el uso de radiadores de
emisión selectiva que emite fotones principalmente en
el rango de energías deseado.
Como el desarrollo de este tipo de sistema es muy
complejo se están esfuerzos por parte de diferentes
centros de investigación de la EU [16] que van desde
el crecimiento de cristales de GaSb hasta el desarrollo
de celdas tandem para TPV, así como también el desa-
rrollo de emisores selectivos nanotexturado o recubri-
mientos con erbio o yterbia. Esto también envuelve
el desarrollo de prototipos para la concentración y el
seguimiento de la radiación solar.
Se piensa que una eficiencia del 35% es una meta real para
celdas de GaSb con emisores selectivos a temperaturas de
2100 - 2300 °K obtenido bajo concentración de 1000X.
Conceptos te6ricos para el desarrollo de nuevos ma-
teriales fotovoltaicos que darán lugar a materiales de
tercera generaci6n
Desde el punto de vista teórico es posible sintetizar
nuevos materiales fotovoltaicos que podrían dar lugar
a dispositivos con eficiencias significativamente más
altas que los desarrollados actualmente. En principio
estos materiales no han sido aún fabricados, sin em-
bargo son diseñados para combinar el efecto de cel-
das tandem en un material y para producir eficiencias
cuánticas mayores que uno.
Existen varias aproximaciones para el desarrollo de
estos nuevos materiales, sin embargo los denomina-
dos materiales con banda metálica intermedia (BI) [17]
son los que han logrado un mayor desarrollo. La idea
es incorporar una banda metálica intermedia en el gap
de un semiconductor para lograr que se generen por-
tadores mediante absorción de dos fotones con ener-
gías menores que la correspondiente al gap Eg sin que
se presenten procesos de recombinación a través de
la BI, como se muestra en la figura 2a. Estos portado-
res se suman a los que se generan mediante absorción
fundamental de fotones que dan lugar a la excitación
de electrones de la BV a la Be.
La síntesis de materiales semiconductores que exhi-
ban una Banda Intermedia puede ser lograda a través
de la incorporación de puntos cuánticos PQ en sand-
wich entre una juntura PIN [18], como se muestra en
la Fig. 2b. Los puntos cuánticos forman una banda
intermedia de estados discretos que permite absorber
fotones de energía menor que Eg. Cálculos teóricos
de bandas han permitido predecir el tipo de materia-
les que podrían generar una BI [19]. Titanio con confi-
guración s2d3, es el elemento favorito para incorporar
PQs en la matriz del GaAs o GaP, que daríanlugar a
la formación de una BI bien separada de la BC y de la
BV. Esto se lograría para concentraciones de Ti, corres-
pondientes al compuesto Ga
4
TiAs3.
Figura 2: Celda solar con Banda intermedia a) Diagrama de bandas, b) Sección transversal y Bl generada por un arreglo
dePQ
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)
14
CONCLUSIONES
• A través de una amplia revisión bibliográfica
se logró dar una visión general sobre el estado
actual del desarrollo de materiales, dispositi-
vos y módulos fotovoltaicos.
• Se presentaron los avances tecnológicos logra-
dos en el marco de las tecnologías de primera
y segunda generación incluyendo los logrados
con los denominados materiales orgánicos
y los sensibilizados con coloran tes, así como
también de los dispositivos termofotovoltai-
coso
• También se presentó información relaciona-
da con las predicciones que los expertos han
hecho sobre los desarrollos que en el futuro
se harán en las tecnologías mencionadas y en
materia de los denominados materiales foto-
voltaicos de tercera generación con énfasis en
los materiales que incorporan una banda me-
tálica intermedia generada a través de puntos
cuánticos.
Reconocimientos: Este trabajo fue financiado por la
Universidad Nacional y Colciencias
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