Los costos de los paneles solares se han desplomado en los últimos años, lo que lleva a tasas de instalaciones solares mucho mayores de lo que esperaban la mayoría de los analistas. Pero con la mayoría de las áreas potenciales de ahorro de costos ya llevadas al extremo, Las reducciones de costos adicionales son cada vez más difíciles de encontrar.

Ahora, Los investigadores del MIT y del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) han delineado un camino para reducir aún más los costos, esta vez adelgazando las propias células de silicio.

Las células de silicio más delgadas se han explorado antes, especialmente hace alrededor de una docena de años, cuando el costo del silicio alcanzó su punto máximo debido a la escasez de suministro. Pero este enfoque adolecía de algunas dificultades:las delgadas obleas de silicio eran demasiado quebradizas y frágiles, conduciendo a niveles inaceptables de pérdidas durante el proceso de fabricación, y tenían menor eficiencia. Los investigadores dicen que ahora hay formas de comenzar a abordar estos desafíos mediante el uso de mejores equipos de manejo y algunos desarrollos recientes en la arquitectura de células solares.

Los nuevos hallazgos se detallan en un artículo de la revista. Ciencias de la energía y el medio ambiente , en coautoría con el postdoctorado del MIT Zhe Liu, profesor de ingeniería mecánica Tonio Buonassisi, y otros cinco en MIT y NREL.

Los investigadores describen su enfoque como "tecnoeconómico, Destacando que en este punto las consideraciones económicas son tan cruciales como las tecnológicas para lograr mayores mejoras en la asequibilidad de los paneles solares.

En la actualidad, El 90 por ciento de los paneles solares del mundo están hechos de silicio cristalino, y la industria continúa creciendo a una tasa de alrededor del 30 por ciento por año, dicen los investigadores. Las células fotovoltaicas de silicio de hoy, el corazón de estos paneles solares, están hechos de obleas de silicio de 160 micrómetros de espesor, pero con métodos de manipulación mejorados, los investigadores proponen que esto podría reducirse a 100 micrómetros, y eventualmente a tan solo 40 micrómetros o menos, que solo requeriría una cuarta parte de la cantidad de silicio para un tamaño determinado de panel.

Eso no solo podría reducir el costo de los paneles individuales, ellos dicen, pero aún más importante, podría permitir una rápida expansión de la capacidad de fabricación de paneles solares. Esto se debe a que la expansión puede verse limitada por los límites sobre la rapidez con la que se pueden construir nuevas plantas para producir los lingotes de cristal de silicio que luego se cortan como salami para hacer las obleas. Estas plantas, que generalmente están separados de las propias plantas de fabricación de células solares, tienden a ser intensivos en capital y requieren mucho tiempo para construir, lo que podría conducir a un cuello de botella en la tasa de expansión de la producción de paneles solares. Reducir el grosor de la oblea podría aliviar potencialmente ese problema, dicen los investigadores.

El estudio analizó los niveles de eficiencia de cuatro variaciones de la arquitectura de células solares, incluidas las celdas PERC (emisor pasivado y contacto trasero) y otras tecnologías avanzadas de alta eficiencia, comparando sus salidas a diferentes niveles de espesor. El equipo descubrió que, de hecho, había poca disminución en el rendimiento hasta espesores tan bajos como 40 micrómetros, utilizando los procesos de fabricación mejorados de hoy.

"Vemos que existe esta área (de los gráficos de eficiencia versus espesor) donde la eficiencia es plana, "Liu dice, "y esa es la región donde potencialmente podría ahorrar algo de dinero". Debido a estos avances en la arquitectura celular, él dice, "Realmente empezamos a ver que era hora de revisar los beneficios de costos".

Cambiar las enormes plantas de fabricación de paneles para adaptarse a las obleas más delgadas será un proceso costoso y que llevará mucho tiempo. pero el análisis muestra que los beneficios pueden superar con creces los costos, Dice Liu. Llevará tiempo desarrollar el equipo y los procedimientos necesarios para permitir el material más delgado, pero con la tecnología existente, él dice, "debería ser relativamente sencillo bajar a 100 micrómetros, "lo que ya proporcionaría algunos ahorros significativos. Nuevas mejoras en la tecnología, como una mejor detección de microgrietas antes de que crezcan, podrían ayudar a reducir aún más los espesores.

En el futuro, el espesor podría potencialmente reducirse a tan solo 15 micrómetros, él dice. Las nuevas tecnologías que hacen crecer obleas delgadas de cristal de silicio directamente en lugar de cortarlas de un cilindro más grande podrían ayudar a permitir tal adelgazamiento adicional. él dice.

El desarrollo de silicio delgado ha recibido poca atención en los últimos años porque el precio del silicio ha disminuido desde su pico anterior. Pero, debido a las reducciones de costos que ya se han producido en la eficiencia de las células solares y otras partes del proceso de fabricación de paneles solares y la cadena de suministro, el costo del silicio es una vez más un factor que puede marcar la diferencia, él dice.

"La eficiencia solo puede aumentar un pequeño porcentaje. Por lo tanto, si desea obtener más mejoras, el grosor es el camino a seguir, ", Dice Buonassisi. Pero la conversión requerirá grandes inversiones de capital para una implementación a gran escala.

El propósito de este estudio, él dice, es proporcionar una hoja de ruta para aquellos que puedan estar planeando la expansión de las tecnologías de fabricación solar. Al hacer que el camino sea "concreto y tangible, " él dice, puede ayudar a las empresas a incorporar esto en su planificación. "Hay un camino, ", dice." No es fácil, pero hay un camino. Y para los pioneros, la ventaja es significativa ".

¿Qué puede ser necesario? él dice, es que los diferentes actores clave de la industria se reúnan y establezcan un conjunto específico de pasos hacia adelante y estándares acordados, como lo hizo la industria de circuitos integrados desde el principio para permitir el crecimiento explosivo de esa industria. "Eso sería realmente transformador, " él dice.

André Augusto, un científico investigador asociado de la Universidad Estatal de Arizona que no estaba relacionado con esta investigación, dice que "refinar la fabricación de obleas y silicio es la parte más exigente de gasto de capital (capex) del proceso de fabricación de paneles solares. Por lo tanto, en un escenario de rápida expansión, el suministro de obleas puede convertirse en un problema. Reducir el tamaño resuelve este problema en parte, ya que puede fabricar más obleas por máquina sin aumentar significativamente el gasto de capital ". Agrega que" las obleas más delgadas pueden ofrecer ventajas de rendimiento en ciertos climas, "Funciona mejor en condiciones más cálidas.

Analista de energías renovables Gregory Wilson de Gregory Wilson Consulting, que no estaba asociado con este trabajo, dice "El impacto de reducir la cantidad de silicio utilizado en las células convencionales sería muy significativo, como señala el documento. La ganancia más obvia está en la cantidad total de capital requerido para escalar la industria fotovoltaica a la escala de varios teravatios requerida por el problema del cambio climático. Otro beneficio es la cantidad de energía necesaria para producir paneles fotovoltaicos de silicio. Esto se debe a que los procesos de producción de polisilicio y de crecimiento de lingotes que se requieren para la producción de células de alta eficiencia consumen mucha energía ".

Wilson añade:"Los principales fabricantes de módulos y células fotovoltaicas necesitan escuchar a grupos creíbles como el del profesor Buonassisi en el MIT, ya que harán este cambio cuando puedan ver claramente los beneficios económicos ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.