Cèl·lules solars de pel·lícula prima

Cèl·lules solars de pel·lícula prima, una segona generació de cèl·lules solars fotovoltaiques (PV): Part superior: laminats de silici de pel·lícula prima que s'instal·len en un sostre. Mitjà: cèl·lula solar CIGS sobre un suport de plàstic flexible i panells rígids de CdTe muntats sobre una estructura de suport. Part inferior: laminats de pel·lícula fina als terrats.

Les cèl·lules solars de pel·lícula prima es fabriquen dipositant una o més capes primes (pel·lícules primes o TF) de material fotovoltaic sobre un substrat, com ara vidre, plàstic o metall. Les cèl·lules solars de pel·lícula prima solen tenir un gruix d'uns pocs nanòmetres (nm) a unes poques micres (µm), molt més primes que les hòsties utilitzades a les cèl·lules solars convencionals basades en silici cristal·lí (c-Si), que poden ser de fins a 200 µm de gruix. Les cèl·lules solars de pel·lícula prima s'utilitzen comercialment en diverses tecnologies, com ara tel·lurur de cadmi (CdTe), diselenur de coure indi gal·li (CIGS) i silici de pel·lícula prima amorf (a-Si, TF-Si).[1]

Secció transversal d'una cèl·lula TF.

Les cèl·lules solars sovint es classifiquen en les anomenades generacions en funció de les capes actives (absorbeixen la llum solar) utilitzades per produir-les, amb les cèl·lules solars més consolidades o de primera generació fetes de silici monocristal·lí o multicristal·lí. Aquesta és la tecnologia dominant que s'utilitza actualment en la majoria dels sistemes solars fotovoltaics. La majoria de les cèl·lules solars de pel·lícula prima es classifiquen com a segona generació, fetes amb capes primes de materials ben estudiats com el silici amorf (a-Si), el telurur de cadmi (CdTe), el selenur de coure indi gal (CIGS) o l'arsenur de gal·li (GaAs). Les cèl·lules solars fetes amb materials més nous i menys establerts es classifiquen com a cèl·lules solars de tercera generació o emergents. Això inclou algunes tecnologies innovadores de pel·lícula prima, com ara cèl·lules solars de pel·lícula prima perovskita, sensibilitzada amb colorants, punt quàntic, orgàniques i CZTS.

Les cèl·lules de pel·lícula prima tenen diversos avantatges respecte a les cèl·lules solars de silici de primera generació, incloent ser més lleugeres i flexibles a causa de la seva construcció fina. Això els fa aptes per al seu ús en fotovoltaics integrats en edificis i com a material de vidre fotovoltaic semitransparent que es pot laminar a les finestres. Altres aplicacions comercials utilitzen panells solars rígids de pel·lícula fina (entrellaçats entre dos panells de vidre) en algunes de les centrals fotovoltaiques més grans del món. A més, els materials utilitzats a les cèl·lules solars de pel·lícula prima es produeixen normalment mitjançant mètodes senzills i escalables més rendibles que les cèl·lules de primera generació, la qual cosa condueix a menors impactes ambientals com les emissions de gasos d'efecte hivernacle (GEH) en molts casos. Les cèl·lules de pel·lícula prima també solen superar les fonts renovables i no renovables per a la generació d'electricitat en termes de toxicitat humana i emissions de metalls pesants.

Malgrat els reptes inicials amb la conversió eficient de la llum, especialment entre els materials fotovoltaics de tercera generació, a partir de l'any 2023 algunes cèl·lules solars de pel·lícula prima han assolit eficiències de fins al 29,1% per a cèl·lules GaAs de pel·lícula prima d'unió única, superant el màxim d'eficiència del 26,1% per a cèl·lules solars estàndard de primera generació d'unió única. Les cèl·lules concentradores multiunió que incorporen tecnologies de pel·lícula prima han assolit eficiències de fins al 47,6% a partir del 2023.[2]

Tot i així, s'ha trobat que moltes tecnologies de pel·lícula prima tenen una vida operativa més curta i unes taxes de degradació més grans que les cèl·lules de primera generació en proves de vida accelerades, cosa que ha contribuït al seu desplegament una mica limitat. A nivell mundial, la quota de mercat fotovoltaica de les tecnologies de pel·lícula prima es manté al voltant del 5% a partir del 2023.[3] Tanmateix, la tecnologia de pel·lícula prima s'ha fet considerablement més popular als Estats Units, on les cèl·lules CdTe per si soles van representar gairebé el 30% del nou desplegament a escala de serveis públics el 2022.[4]

Les primeres investigacions sobre cèl·lules solars de pel·lícula prima van començar a la dècada de 1970. El 1970, l'equip de Zhores Alferov a l'Institut Ioffe va crear les primeres cèl·lules solars d'arsenur de gal·li (GaAs), i després va guanyar el premi Nobel de Física l'any 2000 per aquest i altres treballs.[5][6] Dos anys més tard, el 1972, el Prof. Karl Böer va fundar l'Institut de Conversió d'Energia (IEC) a la Universitat de Delaware per continuar la investigació solar de pel·lícula fina. L'institut es va centrar primer en cèl·lules de sulfur de coure/sulfur de cadmi (Cu₂S/CdS) i més tard es va expandir a pel·lícules primes de fosfur de zinc (Zn₃P₂) i silici amorf (a-Si) també el 1975.[7] L'any 1973, l'IEC va estrenar una casa d'energia solar, Solar One, en el primer exemple de fotovoltaica integrada en edificis residencials.[8] En la dècada següent, l'interès per la tecnologia de pel·lícula prima per a ús comercial i aplicacions aeroespacials [9] va augmentar significativament, amb diverses empreses que van començar el desenvolupament de dispositius solars de pel·lícula fina de silici amorf.[10] L'eficiència solar de pel·lícula prima va augmentar fins al 10% per a Cu ₂ S/CdS el 1980,[11] i el 1986 ARCO Solar va llançar la primera cèl·lula solar de pel·lícula prima disponible comercialment, la G-4000, feta de silici amorf.[12]

Referències

  1. ↑ Lee, Taesoo D.; Ebong, Abasifreke U. «A review of thin film solar cell technologies and challenges» (en anglès). Renewable and Sustainable Energy Reviews, 70, 01-04-2017, pàg. 1286–1297. DOI: 10.1016/j.rser.2016.12.028. ISSN: 1364-0321.
  2. ↑ «Best Research-Cell Efficiency Chart» (en anglès). www.nrel.gov. [Consulta: 5 abril 2023].
  3. ↑ «PHOTOVOLTAICS REPORT» (en anglès). Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, ISE.
  4. ↑ Feldman, David. «Summer 2022 Solar Industry Update» (en anglès). National Renewable Energy Laboratory, 12-07-2022.
  5. ↑ Madou, Marc J. From MEMS to Bio-MEMS and Bio-NEMS: Manufacturing Techniques and Applications (en anglès). CRC Press, 2011, p. 246. ISBN 9781439895245. 
  6. ↑ «The Nobel Prize in Physics 2000» (en anglès). NobelPrize.org. [Consulta: 27 març 2023].
  7. ↑ «History» (en anglès). Institute of Energy Conversion. Arxivat de l'original el 27 març 2023. [Consulta: 26 març 2023].
  8. ↑ «Karl Wolfgang Böer papers | Manuscript and Archival Collection Finding Aids» (en anglès). library.udel.edu. [Consulta: 27 març 2023].
  9. ↑ Landis, Geoffrey A. «Advances in Thin-Film Solar Cells for Lightweight Space Photovoltaic Power» (en anglès). NASA Technical Reports Server (NTRS). National Aeronautics and Space Administration (NASA), Lewis Research Center, 05-06-1989.
  10. ↑ Wallace, W. L. «The Status and Future of Government-Supported Amorphous Silicon Research in the United States» (en anglès). National Renewable Energy Laboratory (NREL), agost 1986.
  11. ↑ «The History of Solar» (en anglès). U.S. Department of Energy Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. Arxivat de l'original el 11 setembre 2021. [Consulta: 26 març 2023].
  12. ↑ Watts, R. L. «Photovoltaic Industry Progress through 1984» (en anglès). U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information, abril 1985. Arxivat de l'original el 27 març 2023. [Consulta: 26 març 2023].