domingo, 25 de julio de 2010

Departamento de Energías Renovables, Materiales y Dispositivos Fotovoltaicos. (CIEMAT). La energía solar del futuro

La tecnología de «película delgada» puede ser una alternativa más asequible y rentable que las células fotovoltaicas actuales

La energía solar fotovoltaica ha aumentado mucho su eficacia en las últimas décadas, pero todavía no de forma suficiente para su entrada masiva en el mercado. La investigación en este campo sigue centrada en encontrar técnicas de producción de dispositivos fotovoltaicos más baratas que las actuales. Ése es el objetivo del grupo de Mª Teresa Gutiérrez en el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT).

El hecho de que ciertos materiales generen electricidad cuando les da el sol fue descrito como una curiosidad científica por el físico Edmond Becquerel cuando tenía sólo 19 años, en 1839. Pero pasó mucho tiempo antes de que se entendiera el efecto fotoeléctrico y se pensara en emplearlo como fuente de energía. Hacia finales del siglo XIX se fabricaron las primeras células fotovoltaicas, de selenio, que convertían en energía eléctrica el 1% de la luz que incidía sobre ellas (enseguida se usaron en cámaras fotográficas para medir la luz); y en 1954 los famosos Laboratorios Bell crearon las primeras células de silicio, antepasadas de las que se usan hoy en los paneles comerciales. Pero sólo convertían en electricidad el 4% de la luz (lo que equivale a decir que su eficacia era del 4%), mientras que las actuales convierten el 17%. Además, según cifras del Departamento de Energía estadounidense el coste de la energía generada por paneles fotovoltaicos se ha reducido en una veinteava parte en las últimas décadas.
El CIEMAT ha desarrollado equipos a escala piloto para la preparación de materiales en película delgada de aplicación fotovoltaica

Un salto grande, pero no suficiente. «A la energía solar fotovoltaica siempre se le achaca que es una tecnología cara, no rentable», afirma Mª Teresa Gutiérrez, del Departamento de Energías Renovables, Desarrollo de Materiales y Dispositivos Fotovoltaicos del Ciemat. «Así que buscamos abaratar los procesos», sigue. El trabajo del grupo se ha centrado en la tecnología de película delgada, una de las alternativas a las células fotovoltaicas de silicio monocristalino.

Dentro del llamado Proyecto MARISOL el grupo del CIEMAT ha desarrollado equipos a escala intermedia entre el laboratorio y una planta industrial para la preparación de materiales en película delgada de aplicación fotovoltaica. Algo así como una planta piloto de lo que podría llegar a ser una instalación industrial. «Se trata de demostrar que la tecnología de película delgada puede usarse en la industria fotovoltaica».

Películas frente a cristales
Los módulos fotovoltaicos más usados en la actualidad se basan en el silicio monocristalino. Este material tiene una estructura atómica muy uniforme que facilita el flujo de los electrones -importante para lograr una buena eficacia-, pero para obtenerlo primero hay que fundir silicio de alta pureza y después crecer de nuevo la estructura entorno a un único cristal «semilla». Este silicio monocristalino deberá después ser tratado y cortado convenientemente para ser transformado en una célula fotovoltaica, que además debe conectarse individualmente a muchas otras para formar un módulo (los paneles solares están formados por muchas células fotovoltaicas). Es, en conjunto, un proceso farragoso y caro.

La tecnología de película delgada ha aparecido en las últimas décadas como alternativa al silicio monocristalino. «Con esta tecnología ya no hay que crecer un cristal, cortar las obleas, perder material en los cortes...» explica Gutiérrez. Al contrario: con la película delgada se puede hacer crecer el material adecuado con el espesor deseado, sobre la superficie que se quiera y de las dimensiones apetecidas.


Una superficie continua.
El principio de funcionamiento de las células de película delgada es el mismo que el de las células de silicio monocristalino: ambas están hechas de materiales superconductores que crean una corriente eléctrica cuando les da la luz, y a los que se añade un dispositivo conductor para recoger y transportar los electrones. Pero ahí acaban las similitudes.

De forma simplificada, la tecnología fotovoltaica de película delgada se puede definir mediante el depósito de grandes superficies (1m2 aproximadamente) de películas delgadas de conductores y semiconductores sobre un sustrato, utilizando una técnica de conformado adecuada para conseguir un dispositivo integrado. Los dispositivos así preparados tienen espesores de alrededor de decenas de micras.
El hecho de usar diferentes sustratos puede diversificar mucho la aplicación: el panel puede estar encima de las tejas, y ser ondulado


Una diferencia entre la tecnología de película delgada y la de silicio monocristalino, explica Gutiérrez , es que el hecho de usar diferentes sustratos puede diversificar mucho la aplicación: el módulo fotovoltaico puede estar colocado encima de las tejas de un tejado y ser ondulado, o un vidrio de una ventana puede convertirse en un módulo fotovoltaico. Se puede utilizar en principio cualquier tipo de sustrato teniendo en cuenta algunos requerimientos. En la tecnología de silicio monocristalino, en cambio, se parte siempre de una oblea.

Cámaras de vacío
¿Dónde radica el problema para que los dispositivos de película delgada no inunden el mercado fotovoltaico? Su eficiencia se considera aceptable: se ha obtenido alrededor de un 12% con dispositivos estables de seleniuro de cobre e indio. Sin embargo, la viabilidad comercial de estos módulos requiere esfuerzos importantes en los temas de fabricación. Para conseguir un proceso de fabricación de bajo coste en estos módulos es necesario una mejora de la utilización de los materiales y la optimización de los procesos de preparación de los mismos en grandes áreas.

El reto es conseguir un proceso continuo en el que se introduzca un sustrato por un lado y por el otro salga el módulo terminado, lo cual va a abaratar mucho los costes de producción. «Se trata de diseñar procesos para que la industria fotovoltaica concluya que le interesa instalar una línea de producción de módulos de película delgada». El equipo de Gutiérrez ya ha demostrado que es posible preparar materiales de aplicación fotovoltaica no ya sobre 1cm2 sino sobre 900cm2.

Las dos cámaras que usa el grupo para fabricar los módulos son el resultado del proyecto Marisol. El primer paso del proceso es la metalización del sustrato y se hace en una de las cámaras. Pero la técnica para el paso siguiente es distinta y debe hacerse en la otra cámara: la deposición de la capa «absorbente», que es la que absorbe las partículas de luz, y el llamado «material ventana». Finalmente se pasa de nuevo a la primera cámara para depositar el material conductor y una última capa.

Es la primera vez que estos investigadores se enfrentan a equipos de escala mayor que los usados en investigación básica de laboratorio. «Ha sido una experiencia muy útil para entrar en contacto con gente de la industria, algo muy importante», dice Gutiérrez.

Morales R. Karelis
CI 18089995
EES secc2


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