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Concentrating Photovoltaic modules using advanced technologies and cells for highest efficiencies

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El sustrato de germanio: plataforma prometedora para las celdas fotovoltaicas multiunión

El germanio ha sido durante mucho tiempo un material famoso por los circuitos integrados. Fuera del ámbito principal de los dispositivos electrónicos, un proyecto financiado con fondos europeos está demostrando su gran potencial como sustrato para liderar la próxima generación de celdas fotovoltaicas multiunión.

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El mundo tiene los ojos puestos en las energías renovables, como la energía solar, para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y resolver la inminente crisis energética. Sin embargo, el desarrollo de unas celdas fotovoltaicas de alta eficiencia que puedan convertir una cantidad significativa de luz solar en energía eléctrica a un coste muy bajo sigue siendo un reto importante. La tecnología fotovoltaica de concentración que utiliza la óptica para concentrar la energía del sol en celdas fotovoltaicas multiunión de alta eficiencia puede desempeñar un papel importante a la hora de impulsar la generación de energía solar. Esta tecnología requiere que las subceldas con diferentes bandas prohibidas absorban distintas partes del espectro solar para lograr altas eficiencias de conversión energética teórica. Los espejos o lentes con altas prestaciones pueden enfocar quinientas veces más luz solar en estas diminutas celdas en comparación con los sistemas fotovoltaicos convencionales de placa plana. Sin embargo, esta tecnología requiere una mayor reducción de costes. Combinación perfecta de cristales La combinación de dos tecnologías es un paso práctico para hacer que los sistemas fotovoltaicos de concentración sean más competitivos frente a otras formas de generación de energía. Esto significa tomar una oblea de bajo coste y utilizarla como base para formar muchos dispositivos multiunión altamente eficientes con varias capas de semiconductores compuestos. «La combinación de espaciamiento atómico de capas sucesivas es un elemento crucial cuando se combinan materiales con determinadas energías de banda prohibida», señala el doctor Gerald Siefer, coordinador del proyecto financiado con fondos europeos CPVMatch. Como sigue explicando, se pueden utilizar varios métodos, incluido el crecimiento metamórfico y la unión de obleas, para superar el desajuste de la red. Sin embargo, para lograr una mayor eficiencia a bajo coste, es preferible usar materiales con el mismo parámetro de red que propulsar celdas multiunión. Los investigadores del proyecto realizaron una exitosa prueba de concepto utilizando una oblea de germanio y luego añadiendo una estructura de silicio-germanio-estaño (SiGeSn) emparejada en red para formar una unión de 1 eV. La adición subsiguiente de materiales III-V permitirá que se creen uniones superiores que lleven a una arquitectura de dispositivos que pueda ofrecer eficiencias muy altas. «Esta es la primera vez que un elemento semiconductor IV de alta calidad (el SiGeSn) se obtiene por crecimiento epitaxial sobre un sustrato de germanio en el mismo reactor de crecimiento que los elementos semiconductores III-V», añade Siefer. Coste inferior al de su homólogo Las celdas fotovoltaicas de muy alta eficiencia aplican parcialmente sustratos basados en fosfuro de indio (InP) para convertir la radiación solar en energía eléctrica de forma eficiente. «El récord mundial de eficiencia de las celdas fotovoltaicas multiunión con InP como sustrato es del 46 %. Aun así, este material es mucho más caro que el germanio», señala Siefer. La nueva celda fotovoltaica de cuatro uniones CPVMatch con sustrato de germanio alcanzó una eficiencia del 42,6 %. El proyecto desarrolló y demostró con éxito otros componentes técnicos que, juntos, aumentarán la eficiencia de las celdas hasta un 46 %. Superación de los inconvenientes de las lentes estándar La mayoría de los módulos fotovoltaicos de concentración utilizan las llamadas lentes de silicona sobre vidrio (SoG, por sus siglas en inglés). Aunque estas lentes son baratas, introducen aberraciones cromáticas y su rendimiento depende en gran medida de la temperatura ambiente. Los investigadores experimentaron con lentes acromáticas para reducir la distorsión. A pesar de su potencial para producir un dispositivo de muy alto rendimiento, son caras. Para evitar las limitaciones de la SoG y minimizar los costes, los investigadores se centraron en un proceso de fabricación barato de lentes acromáticas, así como de módulos fotovoltaicos de concentración basados en espejos inteligentes y altamente compactos. Ambos cuentan con muchas ventajas en comparación con las lentes estándar: no hay problemas con la distorsión cromática, junto con una mayor eficiencia de conversión solar. CPVMatch demostró unos conceptos que reducen los costes de las celdas fotovoltaicas y aumentan la eficiencia para garantizar que los sistemas fotovoltaicos de concentración sean más competitivos en el futuro. «Los sistemas fotovoltaicos de alta concentración pueden alcanzar niveles de eficiencia que los fotovoltaicos de placa plana nunca alcanzarán. Además, su demostrada menor huella de carbono, que oscila entre 16 y 18 gramos de CO2 por kilovatio-hora de electricidad producida, es de vital importancia para descarbonizar el sistema energético», añade Siefer.

Palabras clave

CPVMatch, tecnología fotovoltaica de concentración, celdas fotovoltaicas multiunión, sustrato de germanio, silicio-germanio-estaño (SiGeSn), emparejado en red, semiconductor IV, semiconductor III-V, lentes acromáticas, espejo, óptica

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