Investigadores españoles desarrollan una célula solar que alcanzará el 43% de eficiencia
Un equipo de investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), en Barcelona, ha desarrollado una técnica que podría permitir fabricar celdas fotovoltaicas con eficiencias cercanas al 43%. El avance utiliza una finísima capa de plata para reducir las pérdidas de energía y superar uno de los límites históricos de la tecnología fotovoltaica.
La energía solar lleva años mejorando sus prestaciones, pero todavía tiene mucho margen de mejora. Aunque las instalaciones actuales son cada vez más económicas y eficientes, existe un límite físico que condiciona el rendimiento de las células solares convencionales.
Ahora, un grupo de científicos del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), situado en Castelldefels, Barcelona, ha presentado una solución que podría ayudar a superar esa barrera. Y lo más interesante es que no requiere desarrollar un material semiconductor completamente nuevo, sino modificar uno de los componentes de las células solares para aprovechar mejor la energía que reciben.
La clave está en sustituir el electrodo transparente convencional por una capa extremadamente fina de plata, capaz de conducir la electricidad, dejar pasar la luz y, al mismo tiempo, controlar cómo escapa parte de la radiación del interior de la célula.
Una capa de plata para superar el límite de eficiencia de los paneles solares
Para entender la importancia de este avance hay que hablar del conocido límite de Shockley-Queisser, una referencia de la física que establece que una célula solar convencional de una sola unión tiene una eficiencia máxima teórica cercana al 33% bajo condiciones estándar de iluminación solar.
Esto significa que, incluso utilizando materiales de gran calidad y reduciendo al mínimo los defectos de fabricación, existe una cantidad importante de energía que no puede aprovecharse. Parte se pierde en forma de calor, mientras que otra corresponde a fotones que no tienen suficiente energía para generar electricidad.
Pero hay un tercer fenómeno que también reduce el rendimiento. Cuando la luz solar llega al semiconductor, libera electrones que pueden generar una corriente eléctrica. Sin embargo, algunos de esos electrones vuelven a recombinarse y emiten fotones que terminan escapando de la célula, llevándose parte de la energía.
Los investigadores españoles han centrado sus esfuerzos precisamente en reducir estas pérdidas, relacionadas con la emisión de radiación y con las denominadas pérdidas de Boltzmann. Su propuesta consiste en modificar la forma en la que la luz puede salir de la célula solar, aprovechando las propiedades ópticas de una película metálica.
En lugar del habitual óxido de indio y estaño, conocido como ITO, han utilizado una capa de plata tan fina que permite el paso de buena parte de la luz, pero que también presenta propiedades reflectantes. De esta forma, restringe los ángulos por los que puede escapar la radiación emitida desde el interior.
El resultado es una estructura que actúa parcialmente como una cavidad óptica, ayudando a mejorar el aprovechamiento de los fotones. En los experimentos, el equipo ha observado mejoras tanto en la tensión como en la corriente eléctrica, algo especialmente relevante porque ambos parámetros determinan la potencia que puede entregar una célula solar.
Del 33% al 43% de eficiencia: qué han conseguido realmente
A partir de estos resultados, los modelos teóricos indican que, perfeccionando la tecnología, podrían alcanzarse eficiencias próximas al 43%. Una cifra que supondría un salto considerable respecto al límite clásico de las células de una sola unión, aunque todavía queda mucho trabajo para comprobar hasta dónde puede llegar esta propuesta.
El investigador Francisco Bernal Texca, primer autor del estudio, considera que el trabajo abre una vía de investigación hasta ahora poco explorada para superar el límite de Shockley-Queisser. La ventaja es que plantea una alternativa a las estrategias habituales, centradas principalmente en combinar diferentes materiales semiconductores.
Y es que, si esta tecnología consigue desarrollarse hasta convertirse en una solución comercial, podría aumentar la producción eléctrica sin necesidad de incrementar proporcionalmente la superficie ocupada por los paneles. Algo especialmente interesante para instalaciones en tejados, donde el espacio disponible suele ser limitado.
Una tecnología que podría complementar a las células solares de perovskita
El trabajo del ICFO llega en un momento de intensa competencia por mejorar la eficiencia fotovoltaica. Una de las tecnologías que más atención está recibiendo es la de las células solares tándem, que combinan diferentes materiales para aprovechar distintas partes del espectro solar.
Un ejemplo es el fabricante chino LONGi, que ha anunciado una eficiencia del 35,5% en una célula tándem de perovskita y silicio. En este caso, el principio es diferente al utilizado por los investigadores de Barcelona: en lugar de controlar la radiación que escapa, se combinan materiales con distintas propiedades de absorción para aprovechar mejor la energía de los fotones.
La perovskita permite ajustar las longitudes de onda que puede absorber, mientras que el silicio se encarga de aprovechar otra parte del espectro. Esta combinación permite superar el límite que afecta a una célula convencional de una sola unión.
La propuesta del ICFO aborda otro mecanismo de pérdida, por lo que abre la posibilidad de investigar soluciones complementarias. Eso no significa que ambas tecnologías puedan combinarse directamente sin dificultades, pero sí que existen diferentes caminos para seguir aumentando la eficiencia de la energía solar.
También se están explorando técnicas como la fisión singlete, que busca aprovechar fotones de elevada energía para generar más de una excitación electrónica. Son estrategias todavía experimentales, pero muestran que el margen de mejora de la tecnología fotovoltaica sigue siendo considerable.
Más electricidad con la misma superficie de paneles solares
La consecuencia práctica de aumentar la eficiencia es bastante sencilla. Cuanta más energía pueda obtenerse de una misma superficie, menor será el espacio necesario para alcanzar una determinada producción eléctrica.
Por ejemplo, en una comparación puramente teórica, una célula con una eficiencia del 43% podría generar aproximadamente un 30% más de electricidad por unidad de superficie que otra del 33%, siempre que ambas trabajasen bajo las mismas condiciones.
Eso tendría consecuencias para las instalaciones de autoconsumo, las grandes plantas solares y también para aplicaciones donde cada metro cuadrado resulta especialmente valioso. Desde cubiertas industriales hasta sistemas fotovoltaicos integrados en edificios, aumentar la producción sin ampliar la superficie instalada supone una ventaja evidente.
Sin embargo, todavía hay obstáculos importantes. La nueva estructura deberá demostrar que puede fabricarse a gran escala, mantener su rendimiento durante años y ofrecer costes competitivos. También habrá que comprobar si las mejoras observadas en laboratorio se mantienen al trasladar el sistema a células de mayor tamaño y, posteriormente, a módulos completos.
La utilización de plata tampoco es un detalle menor, ya que se trata de un material relativamente caro. Aunque las capas empleadas son extremadamente finas, su consumo, estabilidad y proceso de fabricación serán factores importantes para determinar la viabilidad comercial.
Por ahora, estamos ante un avance científico, no ante una nueva generación de paneles solares lista para instalarse en los tejados. Pero el trabajo de los investigadores de Barcelona demuestra que todavía quedan caminos por explorar para aprovechar mejor una fuente de energía que recibimos gratuitamente cada día.
Y si finalmente se consigue convertir una parte mucho mayor de esa luz en electricidad, la energía solar podría seguir reduciendo sus costes sin necesidad de ocupar cada vez más espacio.
