La tecnología de celdas solares en tándem, que combina nuevas celdas de perovskita con celdas de silicio convencionales, puede acelerar una transición energética global desde los combustibles fósiles hacia fuentes sostenibles.
Los investigadores informan ahora de eficiencias de conversión de potencia récord para estos dúos de celdas solares. Un equipo del Helmholtz Zentrum Berlin informa de eficiencias superiores al 30 %, y teóricamente son posibles eficiencias del 40 %.
Para lograr la mitigación del cambio climático que se necesita con urgencia, las políticas globales deben demostrar compromisos a largo plazo y proporcionar seguridad de mercado a los sectores de I+D y fabricación de celdas solares.
La energía solar es un recurso energético abundante y renovable. De hecho, la cantidad de luz solar que incide sobre la Tierra en una sola hora contiene más energía que la que el mundo necesita en un año. La luz solar puede convertirse directamente en electricidad mediante un dispositivo denominado célula fotovoltaica (más conocida como célula solar). Las celdas solares tradicionales basadas en silicio se utilizan en todo el mundo. Sin embargo, ya se están preparando nuevos avances.
Ahora bien, las tecnologías de celdas solares en tándem, en concreto, la superposición de una celda solar de perovskita ultrafina sobre una celda solar de silicio convencional, están batiendo récords en la conversión de la luz solar en electricidad. Con las celdas solares en tándem, que ya alcanzan eficiencias de conversión de potencia superiores al 30 %, los expertos afirman que estas fotovoltaicas de alta tecnología desempeñarán un papel fundamental en la transición rápida hacia las energías renovables que tanto se necesita.
“Estamos muy entusiasmados con estos enormes avances”, afirma Steve Albrecht, jefe del Grupo de Jóvenes Investigadores de Celdas Solares en Tándem de Perovskita del Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), Alemania. “Nos dan esperanza de que esta tecnología pueda contribuir de forma importante a un suministro energético sostenible y asequible, no solo para una gran parte de la población, sino también para la lucha contra el cambio climático en los próximos años, porque el escalado y la producción industrial de celdas solares en tándem de perovskita y silicio también son viables.”
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Captar más luz con perovskita
Las fotovoltaicas actuales basadas en silicio solo convierten en electricidad una pequeña gama de longitudes de onda largas de la luz solar. La perovskita, un compuesto semiconductor ligero y de bajo coste, puede «ajustarse» para absorber las longitudes de onda más cortas de la luz que las celdas solares de silicio no captan. Cuando se combinan, una capa ultrafina de perovskita sobre una celda solar de silicio puede convertir más luz solar en energía eléctrica utilizable que cualquiera de las dos celdas por separado.
El truco reside en que la capa de perovskita utiliza todo el rango de longitudes de onda de la luz visible [380 – 700 nm] y lo convierte en corriente eléctrica. La luz infrarroja cercana [800 – 2 500 nm], por otro lado, atraviesa la capa de perovskita, incide sobre la celda de silicio subyacente y se convierte en energía eléctrica. Al funcionar en tándem, el dúo de celdas solares aumenta su eficiencia de conversión de potencia a más del 30 % (la cantidad de energía convertida a partir de la luz solar equivale al 30 % de su energía total incidente). Teóricamente, es posible alcanzar el 40 %.
Además del HZB, equipos de otros institutos de investigación y de la industria han avanzado en el aumento de la eficiencia de las celdas solares en tándem:
29,8 % Helmholtz Zentrum, Berlín, Alemania (dic. 21);
31,3 % École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suiza (jul. 22);
32,5 % Helmholtz Zentrum, Berlín, Alemania (dic. 22);
33,7 % King Abdullah University of Science and Technology, Laboratorio de Fotovoltaica, Thuwal, Arabia Saudí (abr. 23);
33,9 % LONGi Green Energy Technology Co., Ltd., Xi’an, China (nov. 23).
A diferencia del silicio, las propiedades de la perovskita pueden personalizarse (ajustarse) por parte del fabricante para adaptarse mejor a sus necesidades. Mediante el uso de distintas proporciones de materiales para construir la perovskita, el fabricante puede crear una perovskita con un color específico que absorbe un rango de longitudes de onda concreto de la luz. Además, las celdas de perovskita son mucho más finas, ligeras y menos costosas de fabricar que sus equivalentes de silicio.
El camino hacia los 75 teravatios en 2050
Un informe del panel científico sobre el clima de la ONU afirma que la energía renovable «puede y debe» suministrar el 90 % de la electricidad en 2050 para dar al mundo una buena oportunidad de limitar el calentamiento a 1,5 °C, de acuerdo con el Acuerdo de París y evitar los peores impactos del cambio climático.
Para 2050, se prevé que la demanda mundial de electricidad alcance los 75 teravatios (TW). Para satisfacer esta demanda con fuentes de energía renovables, es fundamental que la industria fotovoltaica crezca a un ritmo anual del 25 % durante los próximos siete años. Esto, como es lógico, supondrá grandes exigencias para los sectores de I+D y fabricación de celdas solares.
Aunque 75 TW en 2050 es un objetivo ambicioso, es alcanzable. La industria de celdas solares ha duplicado su producción anual cada tres años, y los costes de construcción de nuevas líneas de producción han caído un 50 % en todo el mundo. El año pasado, se generó el primer TW de electricidad procedente de celdas solares. Se espera que el siguiente TW se alcance en 2024, y se prevé una tasa de producción de un TW al año para 2028.
El coste de las tecnologías solares también se ha reducido de forma significativa en los últimos 30 años, gracias a los avances tecnológicos, entre ellos las celdas solares en tándem de perovskita y silicio, y a las políticas públicas que ofrecen reducciones de costes adicionales. Sin embargo, alcanzar los 75 TW en 2050 dependerá de la innovación continua, de la reducción de costes y de políticas públicas de apoyo.
Hacia un futuro más brillante
La eficiencia de las celdas solares de tándem de silicio y perovskita se sitúa ahora en el rango que anteriormente solo se alcanzaba con los costosos semiconductores III/V, utilizados en el suministro de energía de los satélites y en las centrales de concentración solar.
Una vez probadas en principio la tecnología y la fabricación de celdas solares en tándem, el foco se centra ahora en comprobar el rendimiento de estas celdas en entornos reales e impulsar políticas que respalden la expansión de la industria fotovoltaica.
El Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático describe la tecnología fotovoltaica como la solución de energía renovable que puede contribuir con mayor rapidez y de forma más significativa a la transición energética mundial. El director ejecutivo de la Agencia Internacional de la Energía, Fatih Birol, también ha descrito la energía solar como el nuevo rey de los mercados energéticos mundiales.
Es posible que el futuro de la energía solar sea, en efecto, prometedor. Sin embargo, es necesario mantener un sentido de urgencia al llevar al mercado las celdas solares en tándem y otras tecnologías fotovoltaicas, porque, como insta el equipo del HZB, «esperar no es una opción».
