Mentes brillantes impulsan la energía fotovoltaica

El Instituto Fraunhofer ha asumido la optimización adicional de las modernas celdas solares de heterounión y ha logrado avances sostenibles.

(Foto de portada cortesía del Instituto Fraunhofer ISE)

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Además de la eólica, la energía fotovoltaica es actualmente el segundo pilar de la generación eléctrica a partir de energías renovables. En particular, las celdas solares de heterounión modernas, es decir, la combinación de energía fotovoltaica cristalina con tecnología de película delgada, logran altas eficiencias prometedoras en la producción industrial y, al mismo tiempo, consumen poco silicio, lo que también significa que estos módulos tienen una huella de CO2 relativamente baja. En consecuencia, hay buenas perspectivas que apuntan a que esta tecnología se convierta en el estándar en la producción. En principio, se puede suponer que la importancia de la energía fotovoltaica aumentará, impulsada sobre todo por la escasez de combustibles fósiles como resultado del conflicto en Ucrania. Pero incluso antes de eso, la generación global de electricidad a partir de sistemas fotovoltaicos aumentó de alrededor de 96 teravatios hora en 2012 a poco menos de 831 teravatios hora en 2020, según la Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA). En comparación, según la Agencia Federal de Medio Ambiente, la generación de electricidad a partir de energía fotovoltaica en Alemania aumentó de alrededor de 27 teravatios hora a poco menos de 50 teravatios hora en el mismo período, reporta el Instituto Fraunhofer.

Todo depende de la plata

Pero estas cifras también muestran que el potencial de la energía fotovoltaica está lejos de agotarse. Pero donde hay, con suerte, mucha luz, suele haber también algo de sombra. Por ejemplo, la producción de celdas solares actualmente consume mucha plata valiosa para conductores y contactos. Y como ocurre con tantas otras materias primas, los precios del metal precioso también han aumentado considerablemente recientemente. Hoy en día, la plata ya representa alrededor del 10 por ciento del costo de fabricación de las celdas fotovoltaicas. Además, la plata, como todo metal precioso, solo está disponible en cantidades limitadas. La industria solar ya consume el 15 por ciento de la plata extraída, de acuerdo con la compañía. Dado que otras industrias, como la electromovilidad o las comunicaciones móviles, también están anunciando un mayor consumo de plata para el futuro, el crecimiento esperado de la producción en energía fotovoltaica podría generar un efecto de cuello de botella para la plata como materia prima. Dicho de otro modo: sin innovaciones tecnológicas radicales, la industria solar difícilmente podrá cumplir las expectativas puestas en ella.

¿Y si usamos cobre en su lugar?

Los investigadores del Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar (ISE) en Friburgo también reconocieron este problema en una etapa temprana y posteriormente se dedicaron a hacerle frente a este desafío. Y eso significa un cierto impulso, porque con alrededor de 1400 empleados, el ISE es el instituto de investigación solar más grande de Europa. Se llevó a cabo una investigación, y se lograron dos grandes avances. Un equipo de investigadores dirigido por el Dr. Markus Glatthaar, experto en metalización y modelado, ha desarrollado un proceso de galvanoplastia en el que la plata se puede reemplazar por cobre, con dos ventajas bastante obvias: el cobre es mucho más barato que la plata y mucho más disponible para ser utilizado. Y también hay otra ventaja en la forma de un ligero pero demostrable aumento en el rendimiento, debido a que los conductores de cobre miden solo 19 micrómetros en promedio gracias a la estructuración láser, lo que significa que hay menos sombras en la capa de silicio que recibe la luz que con sus homólogos elaborados en plata.

Usar cobre en lugar de plata, una opción sostenible (Foto cortesía de Fraunhofer ISE y Hannover Messe)

Y ya que estamos en el tema de la sustitución...

Para evitar que toda la superficie eléctricamente conductora de la celda solar se recubra con cobre durante el proceso de galvanoplastia antes mencionado, las áreas que no se van a recubrir primero se deben enmascarar con un aislante eléctrico. Y en este contexto, los investigadores han hecho un segundo avance notable: hasta ahora, se han utilizado pinturas o películas caras a base de polímeros para enmascarar la oblea de silicio en el baño de electrolito. Sin embargo, la eliminación adecuada de los polímeros es costosa y también genera muchos desechos. Glatthaar y su equipo ahora han logrado reemplazar los polímeros con aluminio. Este es un material que se puede reciclar completamente, al igual que el cobre. Esta doble sustitución, de plata a cobre y de polímero a aluminio, también proporciona una doble ventaja: la producción de células solares se vuelve más sostenible y, al mismo tiempo, significativamente más barata.

Pero el aluminio también conduce, ¿no?

De hecho, una de las dificultades era que el aluminio es básicamente conductor de la electricidad y, por lo tanto, no es adecuado para enmascarar. Por otro lado, el aluminio tiende a formar una capa de óxido aislante por sí solo, aunque solo tiene unos pocos nanómetros de espesor. "Logramos adaptar los parámetros del proceso y desarrollar un electrolito especial en el proceso para que, como resultado, la capa de óxido nativo extremadamente delgada del aluminio pueda cumplir de manera confiable su función aislante. Este fue un hito importante para el éxito de nuestro proyecto de investigación", dijo Glatthaar.

El círculo se empieza a cerrar

Al utilizar los materiales reciclables cobre y aluminio, la producción fotovoltaica también se acerca significativamente a la economía circular. Y la disponibilidad de materias primas también mejora los estándares ambientales y sociales. “Dado que tenemos suficiente cobre en Alemania, las cadenas de suministro son más cortas y se reduce la dependencia del precio de los mercados internacionales de materias primas o de proveedores extranjeros”, explica Glatthaar.

Alternativa para llevar tecnología solar optimizada al mercado

Desafortunadamente, a veces se necesita tiempo para que los avances en la investigación lleguen a la producción diaria. Para poder lanzar la prometedora tecnología al mercado más rápidamente, Fraunhofer ISE se puso en marcha y fundó la alternativa PV2+. La joven empresa, dirigida por el investigador de Fraunhofer Markus Glatthaar, planea establecer una producción piloto en Friburgo junto con socios industriales a principios de 2023. El Prof. Dr. Andreas Bett, Director del Instituto Fraunhofer ISE, explicó: "Las celdas solares innovadoras son un componente importante para el futuro suministro de energía a partir de energías renovables y le darán a la industria fotovoltaica un impulso muy necesario. La alternativa tiene las mejores posibilidades de establecerse rápidamente y con éxito en el mercado. Somos nosotros los más orgullosos, por supuesto, de que estas tecnologías hayan sido creadas en nuestro instituto", concluyó.

El proyecto ha recibido apoyo adicional del Ministerio Federal de Economía y Protección del Clima (BMWK) como parte de su programa "Exist". Estaremos expectantes ante los avances de estas tecnologías para la energía fotovoltaica, que sería muy beneficiosa dada la disminución en la disponibilidad de energías tradicionales.