Células solares de alta eficiencia

Eficiencia máxima de las células solares fotovoltaicas

Eficiencia de Carnot

El mayor límite de eficiencia que pueden tener las células solares fotovoltaicas está dado por el límite de Carnot, el cual se calcula de acuerdo a las leyes termodinámicas y de conservación de la energía .

En la siguiente figura podemos ver un dispositivo típico de conversión de la energía solar en energía eléctrica el cual esta formado por una célula fotovoltaica o conversor fotovoltaico donde en su interacción con la luz proveniente del sol interactúa de acuerdo a lo que muestra la figura, donde:

Donde:

Es = Flujo de energía de la radiación solar proveniente del sol

Ts = Temperatura de la fotósfera del sol (6.000 ºK)

Ss = Flujo de Entropía que sale del sol (Donde Ss = Es/Ts)

W = Energía eléctrica generada por la célula fotovoltaica

Q = Calor generado en la célula y rechazado al medio ambiente

S = Flujo de Entropía que sale de la célula fotovoltaica hacia el medio ambiente

Ta = Temperatura ambiente (300 ºK)

Sg = Es un flujo de Entropía asociado al proceso de conversión de energía el cual nunca es negativo y generalmente es positivo o altamente positivo de acuerdo al tipo de conversor fotovoltaico que se utilise.

De acuerdo a la primera y a la segunda ley de la termodinámica, las ecuaciones de energía y de flujo de entropía en este dispositivo conversor son:

Es = W + Q

Ss + Sg = Q/Ta

Reemplazando Q en la ecuación no da:

Es  =  W  +  Ta  (Ss  +  Sg)

La ecuación de la eficiencia del dispositivo conversor es:

N  =  W / Es  =  (1 - Ta/Ts)   -   Ta Sg / Es

Cuando Sg es cero el la eficiencia de Carnot tiene un valor del 95%.

Lo que nos indica principalmente este valor de eficiencia de Carnot encontrado es que no podrá haber o existir ningún tipo de conversor o célula fotovoltaica que supere este valor de eficiencia en su funcionamiento, o sea, el valor máximo de eficiencia de conversión fotovoltaica que se puede esperar de una célula solar.

Eficiencia de Landsberg

En el caso del funcionamiento de la célula solar es un requisito indispensable que no se genere entropía durante la transmisión, absorción y conversión de la luz del sol en energía eléctrica, este requisito es muy difícil de satisfacer ya que en la etapa de transferencia de energía entre el sol y la célula, de acuerdo al análisis para el ciclo de Carnot se esta generando entropía, hecho que ocurre siempre en la transferencia de energía entre dos cuerpos ideales, salvo que los dos cuerpos tengan la misma temperatura (Este caso fue estudiado por Planck en 1959 y por De Vos y Pawels en 1983).

Este hecho de la generación de entropía durante la transmisión de energía desde el sol a la célula fue estudiado por Landsberg en 1980 y si bien nosotros no desarrollaremos como llegó a su resultado Landsberg indicó que la máxima eficiencia que pueda tener una célula fotovoltaica para que cumpla los requisitos mencionados es del 93,3%.

Este nuevo límite de Landsberg tampoco se considera como límite máximo de la eficiencia que puede tener una célula solar ya que se demostró que también existe una generación de entropía inevitable durante el proceso de absorción de la luz dentro de la célula fotovoltaica (Hecho estudiado por Pawels y De Vos en 1981 y por Martí y Araujo en 1996). Así que el límite máximo de eficiencia que tendrá una célula solar  también será menor a este valor de eficiencia máxima de Landsberg, pero igualmente se puede considerar que el límite real máximo de conversión fotovoltaica es muy cercano a este valor del límite de Landsberg.

Convertidores Solares Termofotovoltaicos

Los Convertidores Termofotovoltaicos (TPV) son dispositivos en los que una célula solar convierte la radiación emitida por un cuerpo caliente en electricidad.

Este emisor se puede calentar de distintas formas, ya sea por la combustión de un combustible convencional, o bien, como en el caso que nos interesa estudiar a nosotros por el aumento de temperatura que se produce en un cuerpo que esta expuesto a una irradiación de energía solar concentrada. Este cuerpo caliente al tener una alta temperatura emitirá una determinada radiación de luz en la que se trata de poner una célula fotovoltaica especialmente desarrollada para que transforme esta radiación que emite el cuerpo caliente en energía eléctrica.

Un esquema de cómo debe ser este tipo de dispositivos termofotovoltaicos se puede ver en la siguiente figura: 

Donde el cuerpo absorbedor de energía solar posee una superficie Ar y tiene que estar bajo un sistema de concentración solar que le permita aumentar su temperatura hasta unos 2.544 ºK (o bien unos 2.270 ºC aproximadamente) y una célula solar fotovoltaica monocromática que transforme la radiación que emite esta superficie caliente y que como muestra la figura deberá estar colocada en una cavidad espejada para que no haya pérdidas de la radiación del cuerpo caliente hasta la superficie de la célula solar y toda la radiación que emite este llegue hasta la célula solar.

En condiciones ideales, la máxima eficiencia de este tipo de conversores termofotovoltaicos es de 85,4% la cual se obtendría con una temperatura de la célula solar de 300 ºK (unos 27 ºC aproximadamente) y como dijimos con una temperatura del cuerpo absorvente de la radiación solar de 2.270 ºC.

Convertidores Solares Termoionicos

Otro concepto para la conversión de energía solar en energía eléctrica son los convertidores solares Termoionicos (TPH). Este tipo de dispositivos solares es similar a los conversores Termofotovoltaicos (TPV) pero en lugar de un cuerpo absorbedor de la luz solar se utiliza un diodo emisor de Luz o Led que trabaja a una temperatura menor que el caso anterior (alrededor de 1.000 ºC) por lo cual es mas fácil de llevar a la práctica ya que es muy difícil de conseguir un material que trabaje a las temperaturas requeridas por los TPV en buenas condiciones y sin que haya excesivas pérdidas de temperatura o cambios en el comportamiento o en las propiedades del material.

Un esquema de cómo debe ser este tipo de dispositivos termoiónicos se puede ver en la siguiente figura:

Como podemos ver el sistema es igual que en el caso del dispositivo TPV pero en este caso se cambia el cuerpo absorbedor de temperatura Ar por un diodo emisor de Luz Led.

Si este diodo emisor de luz (Led) trabaja o esta conectado en corto circuito, este dispositivo TPH se comporta exactamente igual que el dispositivo TPV, en cambio si nosotros le aplicamos un voltaje al led este cambiará sus propiedades y el calor propio del cuerpo del led (que esta absorbiendo la radiación solar por el sistema de concentración solar) se transformará en una luz monocromática que depende de las propiedades del semiconductor utilizado como led y luego esa luz monocromática emitida por este led es transformada en electricidad por una célula solar fotovoltaica que también debe ser monocromática para que el dispositivo tenga la máxima eficiencia y deberá estar alojada en una cavidad espejada como muestra la figura para que no se pierda la radiación emitida por el diodo.

Este tipo de convertidor solar tiene la misma eficiencia que el dispositivo TPV y es del orden del 85,4% pero el diodo emisor de luz deberá trabajar a unos 1.000 ºC la cual es considerablemente menor a la que requieren los convertidores TPV y como en su caso el Led puede ser calentado con radiación solar concentrada o por cualquier otra forma que genere calor como la combustión de combustibles fósiles tradicionales, pero como dijimos nuestro mayor interés es en su aplicación de convertidor de la energía solar en electricidad.

Células Multijuntura

Las células solares multijuntura son células solares que permiten obtener una alta eficiencia de conversión fotovoltaica. Las células solares convencionales de unión simple no tienen una alta eficiencia debido a las grandes pérdidas de energía solar por termalización de la luz solar, esto se debe a que no toda la energía que contienen los fotones de la luz solar se transforma en energía eléctrica, esto se debe a que los fotones de mayor energía que el gap del semiconductor de la célula fotovoltaica no transforman toda su energía eléctrica sino solamente la energía correspondiente a la del gap del semiconductor y el resto de la energía se transforma en calor dentro de la célula y además los fotones de menor energía del gap del semiconductor tampoco logran transformarse en energía eléctrica y se transforman también en calor dentro de la célula solar.

Para disminuir estás perdidas de energía mencionada lo que se trata de hacer en estas células multijuntura es poner distintos semiconductores con distintos gap de conversión fotovoltaica uno arriba de otro de manera que cada semiconductor transforme los fotones de energía solar mas cercanos a su gap de forma que no haya perdidas por termalización, ya sea por fotones de baja energía que no son aprovechados en la célula solar o por la perdida de energía que se produce en la transformación de los fotones de alta energía, ya que estos se transforman en electricidad en este tipo de células de multijuntura en un semiconductor de un gap parecido a la energía que tiene el fotón. Estas células solares se fabrican apilando los distintos semiconductores de distintos gap de modo que el de mayor gap quede arriba y los de menor gap vayan quedando abajo hasta que el último sea el de menor gap, así los fotones de mayor energía se transforman en corriente eléctrica en el primer semiconductor y los fotones de menor energía atraviesan este semiconductor sin transformarse en electricidad pero lo hacen en los semiconductores de mas abajo que tiene un gap menor al del primer semiconductor como se puede ver en la siguiente figura.

 

Esta figura muestra este tipos de células solares multijuntura donde se puede ver que en la parte superior se coloca el semiconductor con mayor gap que transforma en electricidad los fotones de mayor energía mientras que los fotones de menor energía que no son transformados por este semiconductor atraviesan el mismo hasta llegar a un semiconductor con un gap menor que transforma este fotón en energía eléctrica

Estas distintas células solares se conectan en serie de forma que la corriente eléctrica que atraviesa cada uno de ellos es la misma por lo tanto deben elegirse distintos semiconductores que apilados uno arriba de otro generen una corriente eléctrica similar cuando se exponen a la luz solar.

La principal aplicación de estas células solares debido a la altas eficiencia que se logran es para los satélites espaciales donde últimamente se están usando células triple unión con una eficiencia cercana al 35% para la radiación solar AM 0 que se encuentra en el espacio. Otra aplicación interesante que tiene estas células es utilizarlas en sistemas de generación de energía eléctrica a gran escala con sistemas de concentración del orden de los 1000 a 1, ya que si bien estás células solares tienen un costo de alrededor de los 10 u$s/cm2 en un sistema de concentración el costo total del sistema de generación resulta económico debido a la poca cantidad de célula solar que se necesita en el sistema. Hoy en día es mas barato usar paneles planos de silicio cristalino con sistemas de apoyo fijo que sistemas de concentración con sistema de seguimiento solar pero existen avances a nivel laboratorio que permitirían fabricar este tipo de células multijuntura a precios bajos y con alta eficiencia de modo de usarlas en los lugares donde ahora se usan los paneles solares cristalinos que se utilizan hoy en día y que tienen una eficiencia promedio del 16 al 20 % por este tipo de células multijuntura de puntos cuánticos de silicio que pueden tener eficiencias del orden del 40 al 60% para su uso en los distintos lugares de la superficie terrestre con la radiación solar estandard AM 1.5, lo cual se generaría mucha mas energía para la misma superficie utilizada, con un menor costo y con un rango de aplicaciones mayor ya que además de usarlas para generación de energía eléctrica para uso industrial o doméstico como se hace mayormente ahora también serían muy útiles para usarlas en los dispositivos que necesitas paneles solares de alta eficiencia como en los distintos sistemas de transporte como ferrocarriles, camiones, colectivos, automóviles, barcos y aviones entre otras aplicaciones en donde sea conveniente usar células solares de alta eficiencia.

La eficiencia máxima que se puede obtener en estás células solares es menor al límite de Landsberg del 93,3%, pero para un apilamiento infinito de células solares esta eficiencia llega a un máximo del 86,8% el cual es un muy buen valor de eficiencia de conversión fotovoltaica para la luz del sol con una concentración infinita o total en donde cuando la luz solar tiene una concentración muy alta o total algunos autores la nombran como Luz Solar Directa, en cambio a la luz del sol en la superficie de la tierra que se considera que tiene el espectro de radiación solar estandard AM 1.5 se le llama Luz Solar Global (o Difusa según el autor) la cual tiene un límite de eficiencia de conversión fotovoltaica máxima del 68,2%. Esta pérdida de eficiencia en las células solares sin concentración se debe a la recombinación radiativa que se produce en la célula solar en la superficie de la célula que esta de cara al sol, y que además las pérdidas de eficiencia de conversión fotovoltaica por este efecto tienen mayor influencia en las células solares que trabajan sin concentración que las que están bajo una alta concentración solar donde cuando la concentración se considera infinita o total estas perdidas se hacen mínimas. 

Tabla que muestra las diferentes eficiencias de las células fotovoltaicas Multijuntura o en Tandem que pueden tener de acuerdo a la cantidad de capas de semiconductores con distintos gap que se use. Como Luz Global (o Difusa) se llama a la luz solar del espectro estandard A:M 1.5 sin concentración y como Luz Directa cuando la luz del sol esta infinitamente concentrada.

En los casos donde tengamos una concentración parcial de la luz del sol y no infinita, la eficiencia total que tendrá esta célula solar será un valor intermedio a estos dos valores mencionados de eficiencia de conversión fotovoltaica, o sea, para un caso de una célula solar con un apilamiento infinito de células solares, será un valor superior al 68,2% pero inferior al 86,8%. La tabla mostrada anteriormente muestra los valores de eficiencia máxima que se pueden obtener en células multiunión de hasta 6 semiconductores distintos apilados con los valores de los gap que tiene que tener cada semiconductor para lograr esa eficiencia considerando como dijimos que estos semiconductores están conectados en serie y considerando las eficiencias para el uso de solo luz solar con máxima concentración o luz solar directa o luz solar sin concentración o luz solar Global (o Difusa).

Este tipo de de células solares de alta eficiencia son las que mayor avance tienen hasta el momento de los distintos tipos de células solares de alta eficiencia que hemos nombrado en este blog, y seguramente con los avances logrados a nivel de laboratorio en las células multiunión de puntos cuánticos de silicio serán uno de los tipos de células solares que mas se utilicen en el futuro debido a la gran eficiencia y al bajo costo de producción que prometen tener las mencionadas células solares de puntos cuánticos de silicio en el futuro próximo.

Células de banda intermedia

Las células de banda intermedia tienen la propiedad de que pueden aprovechar fotones con energía menor al gap del semiconductor, o sea, a la energía necesaria para realizar el salto del electrón de un nivel de energía a otro superior en el átomo. Esto es posible porque un electrón puede absorber uno de estos fotones de menor energía y pasar a un estado de mayor energía al anterior, llamado banda intermedia, luego si otro foton incidente le transmite la energía que le falta el electrón es liberado y pasa al nivel de energía necesario por el gap del conductor, generando entonces una corriente eléctrica. Mediante este mecanismo, es posible aprovechar fotones de baja energía, que se perderían en una célula convencional, para liberar electrones en dos pasos y generar así una corriente eléctrica en la célula solar.
El efecto de la banda intermedia fue descripto en 1997 por Antonio Luque y Antonio Martí, del Instituto de Energía Solar de España (IES), y si bien se han propuesto diversas alternativas para realizar una célula solar con estas características, se destaca la de la utilización de puntos cuánticos, que son estructuras de uno pocos nanómetros (un nanómetro es un millón de veces mas chico que un milímetro) que tienen esta propiedad de confinar electrones.
Uno de los principales resultados en este campo a sido la fabricación de células con banda intermedia utilizando como material de partida al Arseniuro de Galio (GaAs), y añadiendo a la estructura de capas una matriz de puntos cuánticos de Arseniuro de Indio (InAs). Lo mas relevante de dicho trabajo es que se consiguió medir por primera vez una corriente eléctrica suministrada por una célula de banda intermedia iluminada con luz infrarroja, cuyos fotones de baja energía no pueden ser absorbidos por una célula convencional; lo que constituye la primera demostración experimental concluyente del efecto de la banda intermedia y abre el camino a futuros desarrollos en este campo aunque todavía no existen este tipo de células solares a nivel comercial, pero si se ve como una alternativa interesante de tipo de célula solar ya que permite aprovechar los fotones de baja energía que en otro tipo de células solares aveces es muy difícil de conseguirlo.

Células de aprovechamiento de los fotones de alta energía

Las células actuales tienen el inconveniente de no poder aprovechar el exceso de energía de la luz muy energética, como la de la radiación ultravioleta. En efecto un dispositivo solar se observa que cada fotón solo libera un electrón, aunque tenga energía suficiente para liberar varios electrones. El exceso de energía se pierde en forma de calor, que contribuye a degradar la eficiencia de la célula. Sin embargo, es posible aprovechar mejor estos fotones con la utilización de puntos cuánticos de un tamaño de solo 8 nanómetros, donde experiencias realizadas este año han logrado conseguir generar 7 electrones por cada fotón incidente de alta energía.
Ademas, las últimas investigaciones parecen confirmar que la generación multiple es posible en puntos cuánticos de diferentes materiales, y que, por lo tanto, esta propiedad esta fundamentada en las propiedades de los nanoelementos y no de los materiales utilizados concretamente.
Es importante destacar que a pesar de los grandes avances realizados en este contexto, todavía es muy difícil que se logren dispositivos comerciales en un corto plazo, ya que no es posible todavía fabricar células reales donde el efecto de generación múltiple produzca resultados significativos ni tampoco conseguirlos a precios competitivos, dada la necesidad de seguir profundizando la física que rige estos nuevos conceptos y de desarrollar nuevos materiales y tecnologías de fabricación.