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Ahora, los investigadores del MIT y el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) han trazado un camino para reducir aún más los costos, esta vez al reducir las propias células de silicio.
Las células de silicio más delgadas se han explorado antes, particularmente hace alrededor de una docena de años, cuando el costo del silicio alcanzó su punto máximo debido a la escasez de suministro. Sin embargo, este enfoque encontró algunas dificultades: las obleas de silicio delgadas eran demasiado frágiles y frágiles, lo que conducía a niveles de pérdida inaceptables durante el proceso de fabricación, y su efectividad era menor. Los investigadores dicen que ahora hay formas de comenzar a abordar estos desafíos mediante el uso de mejores equipos de manipulación y algunos desarrollos recientes en la arquitectura de las células solares.
Los nuevos descubrimientos se detallan en un artículo de la revista. Ciencias energéticas y medioambientales., coescrito por el postdoc MIT Zhe Liu, el profesor de ingeniería mecánica Tonio Buonassisi, y otros cinco en MIT y NREL.
Los investigadores describen su enfoque como "tecnoeconómico", señalando que en este punto, las consideraciones económicas son tan cruciales como las consideraciones tecnológicas para lograr mejoras adicionales en la asequibilidad de los paneles solares.
Actualmente, el 90% de los paneles solares del mundo están hechos de silicio cristalino, y la industria continúa creciendo a una tasa de alrededor del 30% por año, según los investigadores. Las células fotovoltaicas de silicio de hoy, en el corazón de estos paneles solares, están hechas de obleas de silicio de 160 micrómetros de espesor, pero con métodos de manejo mejorados, los investigadores proponen que esto se puede reducir a 100 micrómetros, y en última instancia tan poco como 40 micrómetros o menos, lo que solo requeriría una cuarta parte de silicio para un tamaño de panel determinado.
Dicen que esto no solo podría reducir el costo de los paneles individuales, sino que, lo que es más importante, podría permitir una rápida expansión de la capacidad de fabricación de paneles solares. Esto se debe a que la expansión puede estar limitada por los límites de la velocidad a la que se pueden construir nuevas fábricas para producir los lingotes de cristal de silicio que luego se cortan como salami para hacer las obleas. Estas fábricas, que generalmente están separadas de las fábricas que fabrican células solares, tienden a ser intensivas en capital y requieren mucho tiempo para su construcción, lo que podría generar un cuello de botella en la tasa de expansión de la producción. de paneles solares. La reducción del grosor de las plaquetas podría aliviar este problema, dijeron los investigadores.
El estudio examinó los niveles de eficiencia de cuatro variantes de la arquitectura de las células solares, incluidas las células PERC (emisor pasivo y contacto posterior) y otras tecnologías avanzadas de alta eficiencia. , comparando sus salidas a diferentes niveles de espesor. El equipo descubrió que en realidad había poca caída en el rendimiento hasta espesores tan bajos como 40 micrones, gracias a los procesos de fabricación mejorados de hoy.
"Vemos que existe esta área (gráficos de eficiencia versus espesor) donde la eficiencia es plana", dice Liu, "y eso es así que la región donde potencialmente podría ahorrar algo de dinero ". Debido a estos avances en la arquitectura celular, dice, "Realmente hemos comenzado a ver que es hora de revisar los beneficios de costos".
Cambiar de grandes fábricas de paneles para adaptarse a tableros más delgados será un proceso largo y costoso, pero el análisis muestra que los beneficios pueden superar los costos, dice Liu. Llevará tiempo desarrollar el equipo y los procedimientos necesarios para permitir el material más delgado, pero con la tecnología existente, dice, "debería ser relativamente simple bajar a 100 micrómetros", lo que ya permitiría lograr ahorros significativos. Nuevas mejoras tecnológicas, como una mejor detección de microgrietas antes de que se desarrollen, podrían ayudar a reducir aún más el grosor.
En el futuro, el grosor podría reducirse a solo 15 micrómetros, dijo. Las nuevas tecnologías que permiten producir directamente obleas delgadas de cristal de silicio en lugar de cortarlas de un cilindro más grande podrían permitir un adelgazamiento adicional, dice.
El desarrollo del silicio delgado ha recibido poca atención en los últimos años, ya que el precio del silicio ha caído desde su máximo anterior. Pero, debido a las reducciones de costos que ya han tenido lugar en la eficiencia de las células solares y otras partes del proceso de fabricación y la cadena de suministro de paneles solares, el costo del silicio nuevamente es un factor que puede marcar la diferencia, dice.
"La eficiencia solo puede aumentar en un pequeño porcentaje. Entonces, si desea obtener más mejoras, el grosor es el camino a seguir ", dice Buonassisi. Pero la conversión requerirá una importante inversión de capital para el despliegue a gran escala.
El propósito de este estudio, dice, es proporcionar una hoja de ruta para aquellos que estén considerando una expansión de las tecnologías de fabricación solar. Al hacer que el camino sea "concreto y tangible", dice, puede ayudar a las empresas a integrar esto en su planificación. "Hay una manera", dice. “No es fácil, pero hay una manera. Y para los primeros motores, la ventaja es significativa. "
Lo que puede ser necesario, dice, es que los diferentes actores clave en la industria se unan y establezcan un conjunto específico de pasos y estándares acordados, como la industria. Los circuitos integrados lo hicieron muy temprano para permitir el crecimiento explosivo de esta industria. "Sería realmente transformador", dice.
Andre Augusto, investigador asociado de la Universidad Estatal de Arizona que no estaba relacionado con esta investigación, dijo que "la fabricación de silicio refinado y obleas es la parte más intensiva en capital (capex) de la Proceso de fabricación de paneles solares. Por lo tanto, en un escenario en rápida expansión, el suministro de plaquetas puede convertirse en un problema. El adelgazamiento resuelve en parte este problema porque puede hacer más obleas por máquina sin aumentar drásticamente el costo de capital. Agrega que "las almohadillas más delgadas pueden ofrecer beneficios de rendimiento en algunos climas", mejorando el rendimiento en condiciones más cálidas.
El analista de energías renovables Gregory Wilson de Gregory Wilson Consulting, que no participó en este trabajo, dijo: "El impacto de reducir la cantidad de silicio utilizado en las células tradicionales sería muy importante, como señala el documento. La ganancia más obvia es la cantidad total de capital requerida para ampliar la industria fotovoltaica a la escala de varios teravatios requerida por el problema del cambio climático. Otra ventaja es la cantidad de energía requerida para producir paneles fotovoltaicos de silicio. De hecho, los procesos de producción de polisilicio y crecimiento de lingotes necesarios para la producción de células de alto rendimiento consumen mucha energía. "
Wilson agrega que "los principales fabricantes de células y módulos fotovoltaicos necesitan escuchar a grupos creíbles como el profesor Buonassisi en el MIT porque harán este cambio cuando vean claramente los beneficios económicos".
El equipo también incluyó a Sarah Sofía, Hannu Lane, Sarah Wieghold y Marius Peters en el MIT y Michael Woodhouse en NREL. El trabajo fue financiado en parte por el Departamento de Energía de los Estados Unidos y por una beca energética total bajo la Iniciativa de Energía del MIT.
