Aunque las células solares de silicio cristalino poseen muchos méritos, como su abundancia de material, su alta eficiencia de conversión de potencia y su estabilidad operativa, así como su maduro proceso de producción, siempre se ha dado por sentado que no pueden utilizarse en aplicaciones flexibles, debido a las características quebradizas de las obleas de silicio cristalino (Fig. 1). Por este motivo, los dispositivos electrónicos de silicio suelen estar encapsulados por vidrio rígido y/o láminas posteriores para formar módulos fotovoltaicos tradicionales monofaciales o bifaciales. Estos módulos representan más del 95% del mercado fotovoltaico actual.
El camino hacia las obleas de silicio plegables
Sin embargo, su baja relación potencia/masa impide su instalación en satélites, edificios, automóviles, ropa y otras superficies curvas. Mi equipo de investigación desarrolló una estrategia para fabricar obleas de silicio plegables con un pequeño radio de curvatura de unos 4 mm. Cuando se convierten en células solares de heterounión de silicio amorfo-cristalino flexibles y ligeras, la eficiencia de conversión de energía se ha calibrado independientemente en más del 24% (Fig. 2). Cuando las células se encapsulan en un módulo solar flexible de gran tamaño (>10000 cm2), la eficiencia de conversión de potencia alcanza el 22,8%, muy superior a la de otros homólogos flexibles fabricados con materiales rentables.
En comparación con los módulos bifaciales estándar encapsulados en vidrio, la relación peso-potencia de los módulos bifaciales flexibles de esta investigación disminuye en torno al 95%, lo que podría allanar el camino para un gran mercado de electrónica autoalimentada en un futuro próximo.
Fig. 1: Una oblea de silicio cristalino se agrieta bajo tensión de flexión.
Imagen: IEC
Fig. 2: Certificado.
Imagen: IEC
La estabilidad a largo plazo es un problema
En las aplicaciones flexibles hay que prestar especial atención a su estabilidad a largo plazo. Por ejemplo, durante el encapsulado de los módulos se producen microfisuras. Un examen más detallado revela que estas microfisuras se localizan en los puntos extremos de las bandas de soldadura (situadas en los bordes del dispositivo). Esto sugiere que la máxima tensión de compresión se aplica cuando el punto final de las tiras de soldadura y la superficie del dispositivo entran en contacto. Así lo confirma un análisis de elementos finitos realizado con el software COMSOL Multiphysics. Nuestro equipo de investigación propuso despuntar las pirámides de los bordes de la oblea y convertir los canales afilados en forma de V en canales redondeados en forma de U entre las pirámides de la superficie. Al dispersar la tensión, esta estrategia redujo la tensión máxima en aproximadamente un orden, lo que permitió que las células solares fueran más resistentes a la deformación de la oblea y a las vibraciones frecuentes. El radio de curvatura de una célula de tamaño M2 (156×156 mm) es inferior a 8 mm. Cuando se encapsulan en grandes módulos de más de 2 m2, pueden enrollarse de forma similar a los módulos de capa fina fabricados con a-Si, orgánicos, CIGS, CdTe y perovskita (Fig. 3). El radio de curvatura mínimo crítico es inferior a 5 cm, lo que indica que son adecuadas para muchos nichos de aplicación. Además, estas células solares flexibles son dispositivos autónomos, a diferencia de otras células de película fina depositadas sobre costosos sustratos orgánicos o acero inoxidable.
El grupo de investigación ha demostrado aplicaciones para vehículos de gran altitud, entre 10 y 100 km. En este rango, la radiación espacial de rayos ultravioleta y partículas de alta energía no supone un gran desafío. Deberían realizarse más experimentos para estimar el impacto de tareas más extremas antes de su futuro despliegue.
Fig. 3: Grandes módulos fotovoltaicos.
Imagen: IEC
Se necesitan normas y ensayos
En este estudio, el equipo de investigación también señala que no existen normas de ensayo detalladas para los módulos fotovoltaicos flexibles de silicio. El Comité Técnico 82 de la CEI, que elabora normas para sistemas de energía solar fotovoltaica, podría liderar los trabajos en este campo. Aún no se ha determinado una configuración experimental para las pruebas de vibración. Los parámetros para los ensayos de flexión incluyen el radio de flexión y la duración de la retención, y otros métodos de ensayo podrían incluir la electroluminiscencia, la fotoluminiscencia, el análisis corriente-voltaje, etc. Por último, se recomiendan las pruebas de efecto de deformación, ya que la fuerza de tracción aplicada puede provocar fallos en el encapsulante y destruir los contactos conformados entre el encapsulante y la superficie de la célula, así como los contactos conformados entre las tiras de soldadura y la superficie de la célula.
Zhengxin Liu es experto en materiales y dispositivos de células solares y en tecnología de medición de células solares. Sus intereses de investigación actuales incluyen las células solares de silicio cristalino de alta eficiencia, la física de las estructuras de heterounión y la normalización de las células solares. Presenta un resumen del innovador artículo de su equipo de investigación sobre células solares flexibles de silicio cristalino, publicado inicialmente en la revista nature.
La International Electrotechnical Commission (CEI) es una organización mundial sin ánimo de lucro que agrupa a 174 países y coordina el trabajo de 30.000 expertos de todo el mundo. Las normas internacionales de la CEI y la evaluación de la conformidad sustentan el comercio internacional de productos eléctricos y electrónicos. Facilitan el acceso a la electricidad y verifican la seguridad, el rendimiento y la interoperabilidad de los dispositivos y sistemas eléctricos y electrónicos, incluyendo, por ejemplo, dispositivos de consumo como teléfonos móviles o frigoríficos, equipos médicos y de oficina, tecnología de la información, generación de electricidad y mucho más.
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