Avances recientes en la tecnología de paneles solares

La energía fotovoltaica se divide en tres generaciones y se dividen en diferentes subtipos según las propiedades de sus materiales. La primera y segunda generación de células tienen problemas relacionados con los altos costes de producción y la menor eficiencia.

Dr. Raj Shah, Sra. Salowa Siddique, Sra. Mrinaleni Das | Instrumentos Köhler

Desde el comienzo de la Revolución Industrial, los gases de efecto invernadero han aumentado rápidamente debido a las emisiones de dióxido de carbono fósil. En 2020, China, India, Estados Unidos, Japón y otras economías emergentes siguieron siendo los mayores emisores de dióxido de carbono del mundo. Juntos representan el 49,5% de la población, el 61,8% del Producto Interno Bruto mundial, el 65,2% del consumo total mundial de combustibles fósiles (BP, 2021(3)) y el 66,7% del total de las emisiones mundiales de dióxido de carbono fósil [1]. Con una creciente conciencia sobre el cambio climático, ha aumentado la importancia de la transición a fuentes de energía más limpias y sostenibles. Además de tener una combinación de beneficios económicos, ambientales y sociales, la energía solar no emite gases de efecto invernadero ni subproductos nocivos, lo que la hace más demandable. La energía solar parece mucho más viable que las muchas opciones de energía renovable disponibles debido a su abundancia, variabilidad regional, suministro continuo de energía, reducción de las emisiones de dióxido de carbono y menor costo de generación de energía [1]. Así, se ha producido un aumento en el mercado de la industria de la energía solar.

A lo largo de los años, se han logrado avances en la tecnología de energía solar. Las mejoras y la adaptación generalizada significan que la energía solar es más barata y más eficiente. Alrededor del 4% de toda la producción de energía en Estados Unidos proviene de la energía solar, casi 80 veces más que hace una década. Representa el 54% de toda la nueva capacidad de generación. Como resultado, la industria solar se ha fijado el objetivo de alcanzar el 30% de toda la generación de energía para 2030 [2]. Actualmente, Estados Unidos es el segundo productor mundial de energía solar, con 108,7 GWdc (2021) de capacidad instalada. Desde 2008, la capacidad de producción de energía solar ha aumentado de 0,34 a 62,4 GWdc, lo que supone un aumento de 75 veces en menos de una década [3]. Estados Unidos está emergiendo como un productor líder de energía solar y este artículo analiza las perspectivas futuras del futuro mercado solar basándose en estadísticas recientes. Este artículo también arroja luz sobre la creciente importancia de la energía solar y el logro de emisiones netas cero para 2050. Estados Unidos se clasifica en cinco niveles según su potencial solar mediante un proceso de jerarquía analítica y análisis de regresión [3]. La Figura 1 muestra la combinación energética en Estados Unidos a partir de 2019 y se puede observar que los combustibles fósiles siguieron siendo dominantes. Sin embargo, las proyecciones muestran que la energía solar representará el 48% de la generación de energías renovables en 2050, en comparación con el 9% actual [3].

Figura 1: Fuentes de energía primaria en EE. UU. (2019) [3].

La energía fotovoltaica se ha convertido en un importante contribuyente a la transición energética en curso, pero se necesitan muchas mejoras para lograr una mayor eficiencia y reducir las pérdidas ópticas, cuánticas y eléctricas de las células solares. Reducir las pérdidas de cualquier tipo requiere métodos diferentes, a menudo avanzados, de fabricación de células y producción de módulos fotovoltaicos. La energía fotovoltaica se divide en tres generaciones y se dividen en diferentes subtipos según las propiedades de sus materiales. La primera y segunda generación de células tienen problemas relacionados con los altos costes de producción y la menor eficiencia. Por ejemplo, las células solares monocristalinas de primera generación son relativamente más caras que las policristalinas. Y una deficiencia importante de las células fotovoltaicas de silicio amorfo es que en los laboratorios, la eficiencia máxima alcanzada es de alrededor del 12%. El valor se degrada en gran medida a escala comercial, entre el 4 y el 6% [4]. Se ha prestado mucha atención a las células de tercera generación, que incluyen células solares sensibilizadas por tinte y las tendencias de eficiencia muestran que la eficiencia aumentará en los próximos años.

Células solares sensibilizadas por tinte (DSSC): las DSSC son una subclase de células solares de película delgada y una excelente alternativa a las células solares de silicio debido a su proceso de producción menos complicado y no obstaculizan las aplicaciones urbanas ni otras aplicaciones comerciales. Puede captar luz de manera eficiente, reducir las reacciones de recombinación, mejorar la capacidad de transporte de carga y aumentar la captación de tinte. A continuación, en la Figura 2, se muestra un diagrama esquemático de un DSSC.

Figura 2: Componentes de una célula solar sensibilizada por colorante [5].

Cada componente DSSC contribuye a la eficiencia de la fotocorriente de la célula solar. La elección del material y la estructura es crucial ya que determina las características corriente-tensión. Una estructura de nanopartículas de TiO2 con un tinte a base de rutenio logró una eficiencia general en el laboratorio de más del 12-14 %. El fotoánodo es un componente crucial de los DSSC, por lo que el material debe seleccionarse cuidadosamente. El TiO2 fue el material más eficaz para el fotoánodo debido a su rentabilidad, buena estabilidad, fácil disponibilidad, propiedades ópticas y electrónicas compatibles y no toxicidad. Otro fotoánodo estudiado, el ZnO, tenía funciones laborales similares a las del TiO2, pero tenía una mayor movilidad profesional. El ZnO también ayudó con el sellado de tintes y electrolitos, lo que significa que la fuga de líquidos en los dispositivos solares disminuye la vida útil de las DSSC y no es confiable para su comercialización. El empleo de ZnO mejoró la eficiencia de conversión del 1,2% al 4,5%. El único inconveniente de utilizar ZnO como fotoánodo para un DSSC es que su rápida corrosión en ambientes ácidos desarrolla agregados de tinte y limita su rendimiento. Por lo tanto, en la mayoría de las DSSC comerciales se han utilizado nanopartículas de TiO2 de 10 a 20 nm y una superficie de 50 a 100 m2/g. Sin embargo, estas capas de nanopartículas de TiO2 muestran una baja capacidad de dispersión de la luz debido al tamaño de partícula más pequeño que la longitud de onda de la luz incidente. [5] Entonces, según los resultados, se puede afirmar que el ZnO funciona mejor como sellador de tinte/electrolito y que el TiO2 es el mejor material semiconductor para el fotoánodo DSSC. Dado que el TiO2 tiene baja movilidad de electrones y problemas relacionados con la capacidad de absorción de luz, se están estudiando la morfología, los principios de operación, las técnicas de fabricación y las cuestiones relacionadas con la tecnología DSSC para ayudar a que las DSSC sean más viables comercialmente. Para ello se ha introducido la ingeniería de banda prohibida. La alteración de la banda prohibida puede modular las propiedades eléctricas y ópticas y la cuantificación del tamaño puede reducir la banda prohibida de los óxidos semiconductores. Se han probado varios cationes para mejorar la capacidad de absorción de luz y la movilidad de los electrones. También se han empleado cationes para modificar las propiedades electrónicas y ópticas del TiO2 [4].

Se han desarrollado ampliamente nuevos materiales de óxido para mejorar la estructura electrónica y las propiedades de la superficie de los fotoánodos; se descubrió que el nitrógeno, el carbono, el azufre y el flúor mejoran la absorción de la luz visible. También se estudió el rendimiento de las células solares que utilizan TiO2 dopado con N. El efecto del dopaje aliovalente en las DSSC se correlaciona con la estabilidad termodinámica de la vacancia de oxígeno, que es común en el TiO2 [6].

Figura 3: Rendimiento de las DSSC que utilizan semiconductores de óxido distintos del TiO2 [6].

El inversor es un componente crucial de un sistema de energía solar. La industria fotovoltaica ha estado desarrollando confiabilidad, eficiencia, opciones de monitoreo y reducción de costos y peso en el ámbito de la tecnología de inversores. A finales de los noventa, los inversores conectados a la red en el rango de dos a quince kilovatios no tenían más de tres fabricantes y cuatro de los cinco modelos listados por UL disponibles para el ingeniero de diseño. Hay diez o más fabricantes con más de dos docenas de modelos en esta gama (los ejemplos incluyen: Beacon Power, Magnetek, Fronius, SMA, Sharp, Xantrex, Solectria, PV Powered, Outback y Vanner). De las tecnologías de inversores más interesantes, se han producido los últimos avances en tecnología de inversores.

Inversores de cadena: estos inversores pueden manejar la electricidad producida por múltiples paneles solares y son muy rentables y más baratos que los microinversores. Los inversores solares de 2010 consistían en tarjetas de comunicación, registradores de datos, módems y otros accesorios y tenían una flexibilidad de diseño y capacidades de software limitadas. Los fabricantes idearon un software que mitiga la sombra de manera más eficiente y sin necesidad de hardware adicional. Los inversores de cadena modernos también tienen detección de fallas de arco integrada, lo que reduce el riesgo de formación de arcos en módulos o conectores. También consta de protección anti-isla, protección contra fallas a tierra, monitoreo de aislamiento y facilidad de servicio en campo [7]

Figura 4: Patín de inversor de cadena modular Solar Ware Ninja de TMEIC [8].

Semiconductores orgánicos de molécula pequeña: los semiconductores orgánicos son prometedores debido a su bajo costo de fabricación, sus propiedades químicas y eléctricas pueden ajustarse significativamente, fabricarse de manera eficiente y su compatibilidad de bajo impacto ambiental con sustratos flexibles. La conductividad electrónica de los OSC se encuentra entre los metales y los aislantes, abarcando un amplio rango entre 10-7 y 103 Scm-1. Estos materiales se basan en oligómeros como pentaceno, antraceno, rubreno u oligotiofenos o en polímeros como polipirrol, poliacetileno, poli(3-hexiltiofeno) (P3HT) o poli(p-fenilenvinileno) [9]. Actualmente, los OSC están entrando en producción en masa. Son atractivos para la energía fotovoltaica integrada en edificios ya que su peso ligero y flexibilidad permiten un fácil montaje de los módulos en tejados y fachadas. Se establecieron dos técnicas de procesamiento para hacer que las OSC sean más eficientes: 1) procesamiento en seco (evaporación térmica) para células solares de heterounión plana (PHJ) y heterounión masiva (BHJ) y 2) procesamiento en solución (recubrimiento por rotación, impresión por inyección de tinta, inmersión). recubrimiento, técnica de pulverización) para células solares BHJ. Se han informado de forma independiente eficiencias récord para células solares en tándem de molécula pequeña/oligómero producidas por evaporación térmica controlada de las distintas capas [9]. Actualmente se están realizando esfuerzos para mejorar la procesabilidad y sintonizabilidad de los materiales orgánicos. Una mayor exploración de las correlaciones estructura-propiedad en el contexto de la eficiencia y la durabilidad del dispositivo puede facilitar la utilización generalizada de los OSC. Como la energía fotovoltaica orgánica, los diodos emisores de luz orgánicos y los transistores orgánicos de película delgada.

Aunque se han realizado mejoras en los paneles solares modernos, haciendo que la energía solar sea más eficiente y continua, no ha habido un aumento en el costo de producción en la industria solar. De 2015 a 2020, el costo por vatio de energía solar se desplomó de 2,24 dólares a 1,25 dólares, casi la mitad del costo. Hace diez años, el precio por vatio era la asombrosa cifra de 5,79 dólares. En 2016, el costo promedio de instalación para pequeñas empresas y uso residencial fue de $2,06/vatio y cayó a $1,89/vatio en 2021. La reducción de costos significa que los paneles solares se amortizan mucho más rápido que nunca, y al mismo tiempo se reduce la dependencia de los combustibles fósiles.[ 2] Los bajos costos han permitido a las industrias de tecnología solar expandirse a nuevos mercados e implementar miles de sistemas en todo el país. Un sistema residencial de tamaño medio ha caído desde un precio previo al incentivo de 40.000 dólares en 2010 a aproximadamente 25.000 dólares en la actualidad, mientras que las tarifas recientes a escala de servicios públicos oscilan entre 16 dólares/MWh y 35 dólares/MWh, competitivas con todas las demás formas de generación [10].

Figura 5: Tendencias de precios de la energía solar fotovoltaica en EE. UU. y crecimiento de la implementación [10]

Se están realizando investigaciones sobre energía fotovoltaica para mejorar los paneles solares y crear un sistema eficiente de suministro y almacenamiento de energía para ayudar a reducir la dependencia de los combustibles fósiles. También se están probando diferentes óxidos metálicos para las DSSC y se están incorporando nuevos materiales en las OSC para hacer que estos dispositivos sean más viables comercialmente. La dirección futura esperada hacia la tecnología solar incluye: construir edificios que combinen un diseño energéticamente eficiente, prácticas de construcción y tecnologías de energía renovable para un edificio de energía neta cero. De hecho, el edificio conservará lo suficiente y producirá su suministro de energía para crear una nueva generación de edificios rentables con una necesidad neta anual nula de energía no renovable[11]. Aunque se están adoptando muchas medidas para reducir el coste de los dispositivos que funcionan con energía solar, el alto precio de la basura solar es motivo de preocupación. El incentivo financiero para invertir en reciclaje nunca ha sido fuerte en el sector solar. Si bien los paneles contienen pequeñas cantidades de materiales valiosos como la plata, en su mayoría están hechos de vidrio de muy bajo valor, y reciclar un panel cuesta entre 20 y 30 dólares. Enviar ese mismo panel a un vertedero costaría apenas entre 1 y 2 dólares [12]. Según la Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA), el mundo podría presenciar alrededor de 78 millones de toneladas de basura solar eliminadas en vertederos y otras instalaciones de residuos para 2050. Predicen que Estados Unidos contribuirá con 10 millones de toneladas métricas de basura al total de 2050 [13]. Recientemente, se ha prestado mucha atención a la creación de paneles estéticamente agradables y que ocupen menos espacio. Sin embargo, se requiere mano de obra especializada para retirar estos paneles avanzados. Esto puede significar más empleos porque, en 2022, más de 263.000 personas trabajaban en energía solar en más de 10.000 empresas en todos los estados de EE. UU. antes de que surgiera la preocupación por reciclar/limpiar la basura solar. La industria solar generó casi 35 mil millones de dólares de inversión privada en la economía estadounidense [10]. Los investigadores están abordando estos problemas haciendo que el almacenamiento de energía solar sea más eficiente mediante la implementación de células solares de base orgánica en lugar de células de silicio.

Los residuos solares son peligrosos debido a la cantidad de pequeños metales que contienen los paneles. Recientemente se han aprovechado los residuos solares para sacar luz y los investigadores están encontrando una manera de reciclar los paneles solares. Se implementará una tecnología solar de silicio cristalino, construida con un marco de aluminio, vidrio, alambre de cobre, capas de polímero, láminas traseras, celdas de silicio y una caja de conexiones de plástico. Las capas de polímero sellan el panel contra la exposición a la intemperie, pero pueden dificultar el reciclaje y el desmontaje del panel, ya que a menudo se requieren altas temperaturas para aflojar el adhesivo [14]. Los diferentes paneles solares incluyen la extracción del marco y la caja de conexiones; separación del vidrio y la oblea de silicio mediante procesos térmicos, mecánicos o químicos; y separación y purificación de células de silicio y metales especiales (por ejemplo, plata, estaño, plomo, cobre) mediante técnicas químicas y eléctricas. Es importante reciclar los paneles solares de manera ideal y los pasos incluyen quitar el marco y la caja de conexiones, separar el vidrio y la oblea de silicio, y la separación o purificación de las células de silicio y otros metales/materiales. Otra forma de reducir los residuos solares es reutilizar los paneles solares o renovarlos e incluirlos en bicicletas eléctricas, estaciones de carga de vehículos u otros lugares remotos.

Figura 6: Tecnología solar de silicio cristalino [14].

Hoy en día, el uso de combustibles fósiles y las emisiones de gases de efecto invernadero han aumentado enormemente. Las emisiones globales de carbono provenientes de los combustibles fósiles han aumentado dramáticamente desde que comenzó la revolución industrial. Desde 1970, las emisiones de CO2 han aumentado aproximadamente un 90%, y las emisiones procedentes de la quema de combustibles fósiles y los procesos industriales contribuyeron alrededor del 78% del aumento total de las emisiones de gases de efecto invernadero entre 1970 y 2011 [14]. La transición hacia el uso de energías renovables y la emisión de menos gases de efecto invernadero ha sido una preocupación durante mucho tiempo. El aprovechamiento de la energía solar tiene una larga historia que se remonta a hace miles de años. Las aplicaciones primitivas han recorrido un largo camino desde entonces y han adoptado un enfoque sofisticado para maximizar la energía aprovechada y diseñar diversas aplicaciones a través de tecnología avanzada [3]. Las células solares sensibilizadas por colorantes, los semiconductores orgánicos de moléculas pequeñas y la tecnología de inversores parecen prometedores para aprovechar la energía solar de manera más eficiente y utilizar costos de fabricación más bajos. Existe preocupación por los desechos solares y su aumento significativo en los últimos años, pero se están probando diferentes estrategias para reciclar los desechos solares. La evolución de la energía solar significa que los componentes son más baratos que nunca, producen más energía y ocupan menos espacio que hace cinco años. La energía solar ha experimentado un crecimiento continuo y seguirá haciéndolo en los próximos años. Ha desarrollado el potencial para abordar la pobreza energética y proporcionar energía a regiones sin infraestructura de red. De todas las fuentes renovables, la energía solar será la más dominante debido a su producción de energía limpia y renovable y contribuirá a un mundo más sostenible.

Acerca de los autores El Dr. Raj Shah es director de Koehler Instrument Company en Nueva York, donde ha trabajado durante los últimos 28 años. Es miembro elegido por sus pares en IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSTMC, Institute of Physics, The Energy Institute y The Royal Society of Chemistry. El Dr. Shah, ganador del premio ASTM Eagle, coeditó recientemente el bestseller “Fuels and Lubricants Handbook”, cuyos detalles están disponibles en la segunda edición del Long-Awaited Fuels and Lubricants Handbook de ASTM, ya disponible (https://bit.ly/3u2e6GY). . Obtuvo su doctorado en Ingeniería Química de la Universidad Estatal de Pensilvania y es miembro del Chartered Management Institute de Londres. El Dr. Shah también es científico colegiado del Consejo Científico, ingeniero petrolero colegiado del Instituto de Energía e ingeniero colegiado del Consejo de Ingeniería del Reino Unido. Recientemente, el Dr. Shah recibió el título honorífico de “Ingeniero eminente” de Tau beta Pi, la sociedad de ingeniería más grande de EE. UU. Forma parte de la junta directiva asesora de la Universidad de Farmingdale (Tecnología Mecánica), la Universidad de Auburn (Tribología), SUNY, Farmingdale (Gestión de Ingeniería) y la Universidad Estatal de Nueva York, Stony Brook (Ingeniería química/Ciencia de materiales e ingeniería). Raj, profesor adjunto de la Universidad Estatal de Nueva York, Stony Brook, en el Departamento de Ciencia de Materiales e Ingeniería Química, también tiene más de 590 publicaciones y ha estado activo en la industria energética durante más de tres décadas.

La Sra. Mrinalleni Das y la Sra. Salowa Siddique son parte de un próspero programa de pasantías en energía renovable en la compañía Koehler Instrument en Holtsville, y son estudiantes de Ingeniería Química en la Universidad Stony Brook, Long Island, Nueva York, donde el Dr. Shah es el actual presidente del Consejo de administración asesor externo.

Referencias 1.Crippa, Monica & Guizzardi, Diego & Solazzo, Efisio & Muntean, M. & Schaaf, Edwin & Monforti, Fabio & Banja, Manjola & Olivier, Jos & Rossi, Simone & Vignati, E.. (2021). Informe de emisiones de GEI 2021. 10.2760/1

2. Cómo han evolucionado los paneles solares y la energía solar en los últimos 5 años. https://www.renogy.com/blog/how-solar-panels-and-solar-energy-have-evolved-over-the-past-5-years/ (consultado el 28 de junio de 2023).

3. Tabassum, S., Rahman, T., Islam, AU, Rahman, S., Dipta, DR, Roy, S., Mohammad, N., Nawar, N. y Hossain, E. (2021). Energía solar en Estados Unidos: desarrollo, desafíos y perspectivas de futuro. Energías, 14(23), 8142. https://doi.org/10.3390/en14238142

4.https://solarsena.com/diferentes-tipos-celdas-solares-eficiencias/

5. Shakeel Ahmad, M., Pandey, A. y Abd Rahim, N. (2017). Avances en el desarrollo de fotoánodos de TiO2 y sus métodos de fabricación para aplicaciones de células solares sensibilizadas por tinte (DSSC). Una revisión. Reseñas de energías renovables y sostenibles, 77, 89-108. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.03.129

6.Lee, J. y Yang, M. (2011). Progresos en la captación de luz y la inyección de carga de células solares sensibilizadas con colorantes. Ciencia e ingeniería de materiales: B, 176(15), 1142-1160. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2011.06.018

7.La-evolución-de-los-inversores-de-cadena-24-09-21, www.fronius.com/en-us/usa/solar-energy/installers-partners/info-center/blog/the-evolution-of- inversores de cadena solar. Consultado el 6 de agosto de 2023.

8.https://www.solarpowerworldonline.com/2021/08/efficiencies-utility-scale-solar-inverter-design-developer-options/

9.Mishra, A. y Bäuerle, P. (2012). Semiconductores orgánicos de moléculas pequeñas en movimiento: promesas para la futura tecnología de energía solar. Angewandte Chemie Edición Internacional, 51(9), 2020-2067. https://doi.org/10.1002/anie.201102326

10.Datos de investigación de la industria solar. https://www.seia.org/solar-industry-research-data (consultado el 1 de julio de 2023).

11.https://www1.eere.energy.gov/solar/pdfs/solar_timeline.pdf (consultado el 29 de junio de 2023).

12. "El lado oscuro de la energía solar". Harvard Business Review, 19 de abril de 2022, hbr.org/2021/06/the-dark-side-of-solar-power.

13. Kennedy, Ryan. "Basura solar: sin intervención, se producirá una cantidad impactante (y costosa)". Pv Magazine USA, 29 de junio de 2021, pv-magazine-usa.com/2021/06/29/solar-trash- without-intervention-a-shocking-and-costly-amount-will-be-produced/.

14. EPA, www.epa.gov/hw/solar-panel-recycling. Consultado el 12 de julio de 2023.

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