Las células solares en tándem, un logro en eficiencia y estabilidad

Las células solares convencionales de silicio han sido clave en el desarrollo de las energías renovables en todo el mundo. También conocidas como células solares de silicio cristalino, son dispositivos electrónicos que convierten la energía de la luz solar en electricidad utilizando materiales semiconductores de silicio. Son la tecnología más común y ampliamente utilizada en la industria fotovoltaica debido a su eficiencia y confiabilidad. Pese a ello, cada vez resulta más difícil mejorar su rendimiento a medida que los dispositivos se acercan a sus límites de eficiencia práctica.

Esta limitación ha impulsado a los científicos a buscar nuevas tecnologías que puedan combinarse con las células de silicio para conseguir una mayor eficiencia. Las células solares fabricadas con cristales llamados perovskitas son una de esas tecnologías que han surgido rápidamente como un atractivo complemento de bajo coste, pero las células de perovskita son notoriamente susceptibles a los cambios inducidos por el voltaje.

Ahora, investigadores de la Universidad de Princeton, en Estados Unidos, y de la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah, en Arabia Saudí, han conectado la tradicional célula solar de silicio con la prometedora perovskita en una célula solar en tándem, no sólo para aumentar la eficiencia global, sino también para reforzar la estabilidad. Los resultados, publicados en Joule Joule anteayer, demuestran que la conexión protege a la frágil célula solar de perovskita de las averías inducidas por el voltaje, a la vez que logra eficiencias superiores a las que cualquiera de las dos células puede alcanzar por sí sola.

"Las células solares en tándem ya han demostrado eficiencias de conversión de potencia superiores a las de las células solares de silicio o perovskita por separado", ha explicado Barry Rand, director de la investigación y profesor de ingeniería eléctrica e informática y del Centro Andlinger de Energía y Medio Ambiente. "Pensamos que, además de su mayor eficiencia, las células solares en tándem también podrían resolver algunos de los problemas de estabilidad a los que se enfrentan las perovskitas uniéndolas a células de silicio, que son mucho más estables".

Diseño de la investigación

Para probar su hipótesis, los investigadores construyeron tres cadenas de células solares: una que contenía sólo células solares de silicio, otra sólo con perovskitas y otra compuesta por células solares en tándem, con las dos tecnologías conectadas en serie. Posteriormente, sombrearon una de las celdas de la cadena para simular las condiciones de sombra parcial que un panel solar puede encontrar al menos una vez en sus décadas de vida útil por la aparición de un objeto o una rama.

Este sombreado parcial suele significar la perdición para las perovskitas, ya que las células aún iluminadas obligan a la carga a fluir a través de la célula ahora sombreada e inactiva, degradándola rápidamente tanto a ella como a todo el módulo. Las células solares de silicio, por otro lado, son mucho más resistentes a los flujos de voltaje y pueden soportar períodos de sombra parcial con menos problemas.

Como era de esperar, el módulo solar de perovskita se deterioró rápidamente después de una sombra parcial, mientras que el módulo solar de silicio solo sufrió un impacto mínimo. Curiosamente, sin embargo, el módulo solar en tándem era tan resistente como el módulo de solo silicio, lo que implica que al conectar las dos tecnologías solares, la célula de silicio pudo enmascarar la fragilidad de la perovskita.

Los investigadores dijeron que sus hallazgos demuestran que la sombra parcial, que ha sido un obstáculo importante para los módulos de perovskita únicamente, puede ser una preocupación insignificante para los dispositivos solares en tándem conectados en serie.

Desafíos por salvar

Si bien el equipo señaló que aún quedan por resolver varios desafíos, además de la sombra parcial, antes de que las células solares en tándem alcancen la vida útil esperada de las tecnologías solares comerciales, como su escasa resistencia al calor, dijeron que los dispositivos en tándem podrían permitir que la investigación solar continúe evolucionando.

"Si se pueden resolver otros desafíos de estabilidad, las células solares en tándem podrían esencialmente tomar una tecnología comercial que ya es exitosa y mejorarla aún más", dijo Rand. "Nuestros resultados demuestran contundentemente que los dispositivos en tándem deberían ser un área en la que todos deberían participar en futuras investigaciones solares".

La conclusiones del estudio Reverse-bias resilience of monolithic perovskite/silicon tandem solar cells han sido publicadas en la revista Joule el pasado 5 de septiembreJoule.