Repositorio Institucional de Documentos

Investigaciones recientes en células solares 1  PROYECTOFINALDECARRERA Investigacionesrecientesencélulassolares  AUTOR FranciscoJavierPérez‐AradrosÁlamos   DIRECTOR LucíaGarcíaNieto DEPARTAMENTO IngenieríaQuímica CENTRO  EscueladeIngenieríayArquitectura TITULACIÓN IngenieríaTécnicaIndustrial ESPECIALIDAD QuímicaIndustrial CURSOACADÉMICO 2010‐2011 FECHA 31/08/2011          Investigaciones recientes en células solares 2 INDICE  Capítulo1.Tiposyaplicacionesdelaenergíasolar 1.1.Introducción 1.2.Energíasolartérmica 1.2.1.Tecnologíasdebajatemperatura 1.2.2.Tecnologíasdemediayaltatemperatura 1.3.Energíasolarfotovoltaica 1.3.1.Fundamentosdelasceldassolaresyasociaciones. 1.3.2.Aplicaciones 1.3.3.Nuevastendencias  Capítulo2.Lascélulassolares 2.1.Principiodefuncionamiento 2.2.Investigaciónydesarrollo 2.3.Lascuatrogeneracionesdecélulasfotoeléctricas  Capítulo3:Investigacionesrecientesencélulassolares   3.1.Célulassolarespolicristalinasdepelículadelgada 3.1.1.Opción1:Silicioamorfo. 3.1.1.1.Perspectivaactual 3.1.1.2Deposicióndepelículasdesilicioamorfohidrogenado(a‐Si:H) porelmétododelfilamentocalientedeposiciónquímicade vapor(HW‐CVD):Funcióndelatemperaturadelsustrato. 3.1.1.3.Procedimientosexperimentales 3.1.1.4.Resultadosydiscusiones 3.1.1.4.1Variaciónenlavelocidaddedeposición Investigaciones recientes en células solares 3 3.1.1.4.2AnálisisespectroscópicoFTIR 3.1.1.4.3.AnálisisdelaespectroscopíadeRaman 3.1.1.4.4.Propiedadesópticas 3.1.1.4.5.Propiedadeseléctricas 3.1.2.Opción2:TelururodeCadmio 3.1.2.1.Sublimaciónenespaciocerrado(CSS),unprocesoinnovador, adecuadoparaproducirmódulosdepelículadelgada CdTe/CdSdealtaeficiencia 3.1.2.1.1.Estructuradelacélula. 3.1.2.1.2.LacapaTCO 3.1.2.1.3.LacapadeCdS 3.1.2.1.4.LacapadeCdTe 3.1.2.1.5.TratamientodelaestructuraCdTe/CdSenpresencia deCl2 3.1.2.1.6.Elcontactotrasero 3.1.2.1.7.LacélulasolarCdTe/CdS 3.1.2.1.8.Elprocesodefabricaciónenlínea. 3.1.3.Opción3:CélulassolaresdeCobreIndioGalioyDiselenuro(CdS/ Cu(In,Ga)Se2(CdS/CIGS) 3.1.3.1.Resultadosrecientes(CdS/CuIn1‐xGaxSe2) 3.1.3.2.ProblemasdefabricacióndeCIGS  Capítulo4:Célulassolaresdepolímero 4.1.Principiosdeoperación 4.2.Elrecientedesarrollodecélulasfotovoltaicasdepolímero 4.2.1.Materialespoliméricoscélulassolares 4.2.2.LamezclaP3HT:PCBM 4.2.3.Desarrollosrecientes Investigaciones recientes en células solares 4 4.3.Posiblesrutasparamejorarelrendimiento 4.3.1.Mejorandolaabsorción 4.3.2.Mejorarlatensiónencircuitoabierto 4.3.3.Haciaunamorfologíacontrolable 4.3.4.Nuevasestructurasdedispositivos 4.3.5.Laestabilidaddelascélulassolaresdepolímeros 4.3.6.DispositivolibredeITO 4.3.7.Procesosdefabricación 4.4.ConclusiónyPerspectivas  Capítulo5.Resumenyconclusiones   Capítulo6.Bibliografía  6.1.Libros 6.2.Artículoscientíficos 6.3.Páginasweb          Investigaciones recientes en células solares 5 Capítulo1.Tiposyaplicacionesdelaenergíasolar 1.1.Introducción LaenergíasolareslafuenteprincipaldevidaenlaTierrayaquedirigelosciclosbiofísicos, geofísicosyquímicosquemantienenlavidaenelplaneta,losciclosdeloxígeno,delagua,del carbonoydelclima.ElSolnossuministraalimentosmediantelafotosíntesisyeslaenergíadel Sollaqueinduceelmovimientodelviento,delaguayelcrecimientodelasplantas. Laenergíasolareselorigendelamayoríadefuentesdeenergíarenovables,tantodela energíaeólica,lahidroeléctrica,labiomasa,yladelasolasycorrientesmarinas,como tambiéndelaenergíasolarpropiamentedicha.Laenergíasolarsepuedeaprovechar pasivamente(energíasolarpasiva),esdecir,sinlautilizacióndeningúndispositivooaparato intermedio,porejemplomediantelaadecuadaubicación,diseñoyorientacióndelosedificios, empleandocorrectamentelaspropiedadesfisicoquímicasdelosmaterialesyloselementos arquitectónicosdelosmismostalescomo:aislamientos,tipodecubiertas,protecciones,etc. Pormediodelaaplicacióndecriteriosdearquitecturabioclimáticasepuedereducir significativamente,einclusoeliminar,lanecesidaddeclimatizar(calentaryenfriar)los edificios,asícomolanecesidaddeiluminarlosduranteeldía. LaenergíasolareslapotenciaradianteproducidaporelSol,comoresultadodereacciones nuclearesdefusión,quelleganalaTierraatravésdelespacioencuantosdeenergía.Estosson llamadosfotones,queinteractúanconlaatmósferaylasuperficieterrestre. Laintensidaddelaradiaciónsolarenelbordeexteriordelaatmósfera,siseconsideraquela TierraestáasudistanciapromediodelSol,sellamaconstantesolar,ysuvalormedioesde unas2cal/mincm2.ElSol,enconcretolaradiaciónsolarinterceptadaporlatierraensu desplazamientoasualrededor,constituyelaprincipalfuentedeenergíarenovableanuestro alcance.NuestroplanetarecibedelSollaasombrosacantidaddeenergíaanualde5,4x1024J, unacifraquerepresenta4.500veceselconsumomundialdeenergía.Aunqueesmuy abundanteelaprovechamientodelaradiaciónsolar,éstaestácondicionadaportresaspectos: laintensidadderadiaciónsolarrecibidaporlatierra,losciclosdiariosyanualesalosqueestá sometidaylascondicionesclimatológicasdecadaemplazamiento. Lamediaanualderecursosdeenergíasolarsesueleexpresarcomolacantidaddeenergía radianterecibidaporunidaddesuperficieenuntiempodeterminado(kW/m2día). Laenergíasolarcontieneunacomponentedirecta,queeslaluzdelrayosolar,yuna componentedifusa,queeslaluzquehasidodispersadaporlaatmósfera.Estadistinciónes importanteporquesólolacomponentesolardirectapuedeconcentrarsefácilmenteusando espejosolentes.Lacomponentedirectanormalmenterepresentael60‐80porcientodela irradiaciónsolartotalencondicionesdecielodespejadoydisminuyeconelaumentodela humedad,lanubosidadylosaerosolesatmosféricos,talescomopenachosdepolvoola contaminación.Lastecnologíasquesebasanenlacomponentesolardirecta,comolasplantas CSP(produccióndeenergíaporconcentraciónsolar)funcionanmejorenáreasconalta irradiacióndirectanormal,queporlogenerallimitasuaplicaciónalasregionesáridas.Las tecnologíassolaresdenoconcentración,comolospanelesfotovoltaicos,utilizantantola componentedirectacomoladifusayporlotantotienengeográficamenteunamayor aplicación. Investigaciones recientes en células solares 6 Noobstante,esnecesariodestacarquelaemisiónderadiacionessolaresesunprocesocon grandesvariaciones,enmuchasocasionesnoprevisibles,queconllevancambiosbruscos. Ademáslasnecesidadesdecalorsoninversamenteproporcionalesalacantidadderadiación solaremitida,conexcesoderadiaciónenveranoyescasezeninvierno,queescuandola necesidaddecaloresmayor. Paraqueelusodelaenergíasolarseaunaalternativaenergéticaviableesprecisogarantizar elsuministronecesariomedianteunamejoradelossistemasdecaptación,acumulacióny distribución.Elniveltécnicoactualdedichossistemasesmuyelevadohabiéndosedesarrollado grandesavancesentodosloscampos.Sepuedeafirmarquelasposibilidadestécnicasdela energíasolarestánenunordenmuysuperioralaprovechamientoactualqueseestáhaciendo deestetipodeenergía.Además,laenergíasolarpuedeperfectamentesercomplementadacon otrasenergíasrenovablesoconvencionalesloqueharíaqueseredujesenlasnecesidadesde acumulaciónenperíodosdeescasaradiaciónsolar. Laenergíasolarsepuedeaprovechardedosformasdiferentes,obiendeunamaneradirecta, aprovechandolageneracióndecalormediantecaptadoresocolectorestérmicos,diseñados pararecogerenergía,avecesdespuésdeconcentrarlosrayosdelSol,obientransformándola enenergíaeléctricagraciasalospanelesfotovoltaicos.Estasdosformasdeaprovechamiento determinanlosdostiposdeenergíasolar:EnergíasolartérmicayEnergíasolarfotovoltaica. 1.2.Energíasolartérmica Lossistemasdeenergíasolartérmicossonlosqueaprovechanlaradiaciónsolarcomoun sistemadecalentamiento.Dentrodelossistemastérmicospodemosdistinguirlossistemas pasivosylosactivos. Enlossistemastérmicospasivosaprovecharlaradiaciónsolarparalaclimatizaciónde viviendasmedianteeldiseñoarquitectónico.Lasviviendasbioclimáticasseríanunejemplo clarodeaprovechamientopasivodelaenergíasolar. Lossistemastérmicosactivosdeenergíasolarsonlossistemasquesoncapacesdecaptarla energíadelaradiaciónsolarmedianteuncaptadorocolectorporelquecirculaunfluidoy transferirlaaunsistemaparasuaprovechamientoposterior. Dependiendodelatemperaturaalaquesecalientaelfluidocaloportador,sepuededistinguir entretecnologíasdebajatemperaturaytecnologíasdemediayaltatemperatura. 1.2.1.Tecnologíasdebajatemperatura Laenergíasolardenominadadebajatemperaturaeslaqueacostumbramosautilizarenel ámbitodomésticoysueleinstalarseenazoteasdeviviendaoedificioscomerciales.El procedimientoenelquesebasanestossistemasdecaptaciónsolaresmuysimple,peroala vezdegranutilidadparaelhombreporlosserviciosqueofreceenmultituddeaplicaciones. Poraprovechamientodebajatemperaturaseentiendetodosaquellossistemasdeenergía solarenlosqueelfluidocalentadonosobrepasalos100°C.Estasinstalacionessecaracterizan poremplearcomoelementoreceptordeenergíauncaptadorfijodeplacaplanaouncaptador solardevacío. Investigaciones recientes en células solares 7 Elcalentamientodelaguaesunadelasaplicacionesquemásseestáextendiendoyaqueuneel ahorroenergéticoyelrespetoalmedioambienteconunaimportanterentabilidadeconómica. Esposibleelevarlatemperaturadelaguahastatemperaturasmuyaltassuperioresalpuntode ebullición(100ºC).Sinembargosonlasaplicacionesabajatemperatura(deentre27y80ºC) lasmáscomunes,entrelasquedestacan:  Produccióndeaguacalientesanitaria(ACS) Escondiferencialaprincipalaplicacióndelaenergíasolartérmica,debidoalasbajas temperaturasdepreparaciónyalahomogeneidaddesuconsumoalolargodelaño,loque hacequelasinstalacionesdeenergíasolartérmicapresentenbuenosrendimientosparala produccióndeaguacalientesanitariayquetambiénresulteinteresanteaniveleconómicoala horadedisminuirloscostesenergéticosdeunainstalación. Estotambiénesválidoparaotrasactividadesquepresentenunconsumoregularalolargodel añodeaguacalienteabajatemperatura,comopuedeserunalavandería,dondesepueden alimentarlaslavadorasconaguacalienteprocedentedelainstalaciónsolarenlugarde realizartodoelcalentamientoenlaspropiaslavadoras,ytambiénencocinas,dondeexisteuna demandadeaguacalienteenloslavavajillas.  Calefacción Lautilizacióndelaenergíasolarparacalefaccióntieneenprimertérminoelinconvenientede quesóloexistedemandadecalefacciónduranteunosmesesdelaño,yaqueenelperiodode veranogeneralmentenoexistedemandadecalefacciónyseobtiene,porlotanto,unmenor aprovechamientodelainstalación.Además,latemporadadecalefaccióncoincideconlos mesesdemenorradiaciónsolar,locualtambiénrestarendimientoaestasinstalaciones. Porotraparte,lasinstalacionesdecalefacciónquepredominanenEspañatienencomo elementoemisordecalorlosradiadoresconvencionales.Estetipodeinstalaciónesenprincipio inadecuadaparasuutilizaciónconenergíasolarpuestrabajaconelevadosnivelesde temperatura,a70‐90ºC,dondeloscolectoresplanospresentanrendimientosmuybajos. Esporelloquesedeberecurrirasistemasespecialesparalatransmisióndelcaloralinteriorde lavivienda,quefuncionenatemperaturasmásbajas,preferentementepordebajodelos60ºC. Lossistemasmásutilizadossonelsueloradianteylosfan‐coils. Lacalefacciónmediantesueloradianteconsisteenhacercircularaguaabajatemperaturabajo elsuelodellocalacalefactar.Elrangodetemperaturasdelaguaparaelsueloradiantesuele serde30‐40ºC,quelohacemuyapropiadoparainstalacionesdeenergíasolar. Elsistemadefan‐coilssebasaenunaseriedetubosconaletaspordondecirculaaguacaliente. Unacorrientedeairepasaentrelostubos,quecalientanestacorrientedeaireantesdeser introducidaenlahabitación.Latemperaturadelaguaparaunsistemadefancoilssueleserde 45ºC,loquelohacetambiénmuyapropiadoparainstalacionesdeenergíasolar. Otraopciónparalautilizacióndeinstalacionesdeenergíasolarparacalefacciónconsisteenla utilizacióndecolectoresconbuenrendimientoaaltastemperaturas,comoloscolectoresde vacío.Elinconvenientedeestesistemaesqueseencarecesensiblementeelcostedela instalación. Investigaciones recientes en células solares 8  Climatizaciónsolar Laclimatizacióndeedificiosmedianteenergíasolarofreceunabuenaposibilidaddeaplicación delaenergíasolardebidoalacoincidenciadelosperiodosdedemandaconlosmesesde mayorradiaciónsolar.Además,laenergíasolarpuedeutilizarsetambiénenestasinstalaciones comoapoyoalacalefaccióndurantelosmesesenquenoexistedemandadefrío. Enlaclimatizaciónsolarseutilizalaenergíatérmicacomofuerzamotrizparalaproducciónde frío.Eselllamadofríosolar,siendogeneralmentelatecnologíautilizadaparalaproducciónde fríoladelasmáquinasdeabsorción. Enlasmáquinasdeabsorciónparalarefrigeracióndeedificiosgeneralmenteseempleael aguacomorefrigeranteyelbromurodelitiocomoabsorbente.Contrariamentealoquesucede conloscolectoressolares,elrendimientodelasmáquinasdeabsorciónaumentaal incrementarselatemperaturadetrabajo,necesitandotemperaturas(80‐90ºCparalas máquinasdeabsorcióndesimpleefecto)quesondifícilesdealcanzarmediantecolectores solaresplanos.Esporelloquehayquerecurriracolectoresdealtaeficienciaoatubosde vacío. Otroaspectoatenerencuentaesqueelciclodeunamáquinadeabsorciónexistencalores residualesquesehandeevacuar.Estecalordecondensaciónseevacuanormalmente medianteunatorrederefrigeraciónoconunaerocondensador(paramáquinasdeabsorción depequeñapotencia). Aunqueenlaactualidadlosequiposdetrabajoseutilizansobretodoengrandesinstalaciones comopuedeserelsectorindustrialoterciario,existenactualmenteenelmercadoequiposde absorcióndomésticadepequeñapotencia(5‐10kW)aptosparaaplicacionesdomésticas.Se esperaqueenunfuturoestatecnologíamultipliquelasposibilidadesdeproduccióndefríoen lasviviendas.  Energíasolarparaprocesosindustriales Lossistemasdeenergíasolardebajatemperaturapuedenllegarasuministrarunaparte importantedelademandaindustrialdecalor.Lagranescaladelasinstalacionesindustriales llevaasistemasdebajocoste,siendolasaplicacionesmásinteresantesaquellasdondeexiste unademandadecalorcontinuaalolargodetodoelaño. Procesosespecialmenteapropiadosson,porejemplo,elcalentamientodebañosparaciclosde lavado,procesosdetintadodondesedemandagrancantidaddeaguacaliente,calentamiento deaireparaprocesosdesecado,tratamientosquímicos,etc.Algunasdeestasaplicacionesse detallanacontinuación:  Precalentamientodesalmuera.Lasalmuerautilizadaenprocesosdedestilaciónde aguaparasuusoenelprocesoindustrialsepuedellevaralatemperaturadeusopor mediodeplacassolares.  LavanderíaysuministrodeACSenvestuarios.Ensectoresindustrialesdondeexista grancargaderecursoshumanosyaltasnecesidadesdehigiene,comoeselcasodel sectoralimentario,sepuedeaprovecharlaenergíasolartérmicaparaproducirACSen lasduchasobienparalavarlaropadetrabajo. Investigaciones recientes en células solares 9  Calentamientodeaire.Enlaindustriacervecerademalta,elconsumodecalor principalenlafabricacióndelamaltaesparaelsecadodelamaltagerminada.Para elloseutilizaaireprecalentadohasta80ºC.Elconsumodecalorabajastemperaturas esmuyelevado,porloquelacontribuciónsolarquesepuedeconseguiresalta. Sepuedeayudaracalentarairedeentradaalhacerlopasarporunaserietubosprecalentados conenergíasolartérmica.Elsistemacontaráconbombasdecirculaciónyválvulasque dirigiránelcaudal.Conestecalorsolarelairedeentradaseprecalientahasta25‐50ºCantes dellegaralintercambiadorconvencionalconloqueseconsigueunimportanteniveldeahorro deenergía. Estaaplicaciónesfactibleensectorescomoeldelmoldeodelplástico,ellácteo,enelcárnico enelsecadodelaspiezasoeneldelacerámicaestructural.  Energíasolartérmicacomocomplementoalacogeneración.Enmuchasindustrias resultamásventajosoutilizarlacogeneracióncomofuenteparaproducircalory electricidad.Sinembargo,elaporteporenergíasolarpuedeservircomocomplemento enaquellosprocesosparalelosalaproducciónenlosqueelrequerimientodecalorsea debajaomediatemperatura.Noolvidemosnoobstantequelamejormaneracasi siempredecubrirlademandadecalorabajatemperatura(<50ºC)enprocesos industrialesesatravésderecuperacióndecalor.  Precalentamientodeaguaparaprocesosindustriales(calderaconvencional,calderade vapor).Laenergíatérmicarequeridasegenerahabitualmenteencalderasdevapor saturadoquequemanfuelogasnatural.Siunporcentajedeestasnecesidadesdecalor seproducenpormediodeenergíasrenovablesconseguiremosunareduccióndecostes asícomounareduccióndeemisionesnocivasalaatmósfera.  Limpiezadeinstalaciones.Lalimpiezadelasinstalacionesesnecesariaquesehagacon aguaapresiónaunaciertatemperatura,entornoalos70ºC.Paraellosepuede utilizarenergíasolarparacalentarestaagua.  Tratamientodelaguaparapasteurización.Estesubprocesoesusadoenelsector lácteo,conserveroyenlaindustriadelaproduccióndeaceite.  Calentamientodelaguaparaelcuajado.Serealizaentornoalos35ºCenelsector lácteo.  Mantenimientodetemperaturadeaguaenpiscifactorías.Aquílatemperaturadel aguasehademantenerconstanteentre20y26ºC,temperaturasquefavorecenel aprovechamientomáximodelcalorproducidoporplacassolares. Laproduccióndefríomediantemáquinasdeabsorciónesotraaplicacióninteresantedela energíasolarenlaindustria,dondesonválidaslasmismasconsideracionesquesehan efectuadoparalarefrigeracióndoméstica. 1.2.2.Tecnologíasdemediayaltatemperatura Latecnologíademediatemperaturavadestinadaaaquellasaplicacionesquerequieren temperaturasmáselevadasdetrabajo.Apartirdelos80°Closcaptadoresplanos Investigaciones recientes en células solares 16 unciclodeenfriamientoenunfocofrío,conlocualsecontrae,ydecalentamientoenunfoco caliente,conlocualseexpande.Esdecir,esnecesarialapresenciadeunadiferenciade temperaturasentredosfocosysetratadeunmotortérmico. LosdiscosparabólicoshanevolucionadotantoenEEUUcomoenEuropahacialaconstrucción deunidadesautónomasconectadasamotoresStirlingsituadosenelfoco.Lossistemas disco/Stirlinghandemostradolamayoreficienciadeconversiónderadiaciónsolarenenergía eléctricaconvaloresmáximosdel30%yhastaun25%depromediodiarioenunidadesde7a 25kW.Debidoalacurvaturaparabólicadelconcentradoryalabajarelacióndistancia focal/diámetro(f/D=0,6),sepuedenconseguiraltasrelacionesdeconcentraciónporencimade 3.000.Estopermitealcanzarmuyaltastemperaturasdeoperaciónentre650y800ºC,dando lugaraeficienciasenelmotorStirlingdelordendel30al40%.Lasuperficiecóncavadel concentradorestácubiertaporespejosdevidriodesegundasuperficieconsucorrespondiente curvaturaparabólicaobienporespejosdelgadosopolímerosmetalizadosdeprimera superficiesoportadossobreunaestructuradefibradevidrioodemembranatensionada.Los receptoresparasistemasdisco/Stirlingsondetipocavidad,conunapequeñaaperturaysu correspondientesistemadeaislamiento.Habitualmente,seusandosmétodosparala transferenciadelaradiaciónsolaralgasdetrabajo.Enelprimeroseiluminadirectamenteun paneldetubosporelinteriordeloscualescirculaelgasquesueleserhelio,hidrógenooaire. Enelsegundométodo,seutilizaelconceptodetubodecaloroheatpipe,vaporizándoseun metallíquido(normalmentesodio)queluegocondensaenlasuperficiedelostubosporlosque circulanelgasdetrabajoyrefluyenuevamentealabsorbedor. Loslogrosqueseestánalcanzando(hibridación,optimizacióndeprocedimientosdearranquey control,etc.)hacenpreverunoscostesdegeneracióninferioresa0.12‐0.17Euro/kWhacorto plazo.Noobstante,pesealenormepotencialalargoplazodeestatecnología,debidoasus elevadaseficienciasysumodularidad,lalimitaciónencuantoasupotenciaunitaria(inferiora 25kW)obstaculizamuchasaplicacionesquepretendenlaproduccióneléctricaagranescala. Así,tienensuaplicaciónmásobviaenlaproduccióndeelectricidadparaautoconsumoen lugaresaisladosdondenolleguelaredeléctrica(bombeodeaguaenpozos,suministrode electricidadanúcleosdeviviendasrurales,etc.),dondecabeesperarquepuedancompetircon sistemasyacomercialescomolosfotovoltaicosolosgeneradoresdiesel.  ReflectoreslinealesdeFresnel ConcentradoressolaressegúnelPrincipiodeFresnel. ElprincipiodeFresnel‐Huygensesunmétododeanálisisaplicadoalosproblemasde propagacióndeondas.Afirmaquetodopuntodeunfrentedeondainicialpuedeconsiderarse comounafuentedeondasesféricassecundariasqueseextiendenentodaslasdireccionescon lamismavelocidad,frecuenciaylongituddeondaqueelfrentedeondadelqueproceden. Investigaciones recientes en células solares 17  Figura1.5.PropagacióndeondassegúnelprincipiodeFresnel UnaseriedereflectoreslinealesdeFresnel(LFR)esunsistemadefocoenlíneasimilaralos concentradores(CCP)enlosquelaradiaciónsolarseconcentraenuncaptadorlinealinvertido elevadomedianteunaseriedereflectorescasiplanos.Conlasventajasdebajoscostes estructuralesdeapoyo,juntasdefluidofijas,receptorseparadodelsistemareflector,ylargas longitudesdefocoquepermitenelusodecristalconvencional,loscolectoresLFRhanatraído unacrecienteatención.Sevelatecnologíacomounaalternativadecosteinferiorala tecnologíaCCPparalaproduccióndevaporsolarparalageneracióneléctrica.  Figura1.6.EsquemadeunreflectorlinealdeFresnel SepuedediseñarunLFRparaquetengarendimientotérmicosimilarporáreadeaberturaalde uncilindroparabólico,perolosdiseñosrecientestiendenausarmaterialesdereflectormenos carosycomponentesdecaptadorquereducenelrendimientoóptico.Sinembargo,este rendimientoinferiorsecompensaporlosmenorescostesdeinversiónyoperacióny mantenimiento.LosLFRademáspermitenelusodelterrenobajoloscamposdeespejoscon otrosfineseconómicos,comolahorticultura. Investigaciones recientes en células solares 18  Figura1.7.ImagendeunainstalaciónconreflectoreslinealesdeFresnel En1999lacompañíabelgaSolarmundoconstruyóelmayorprototipodecolectorFresnel,con uncolectorde24mdeancho,yunáreadereflectorde2500m2.Elsiguientepasodeberíaser unacentralpilotoparademostrarlatecnologíaenunsistemaagranescalabajocondiciones deoperacióncomerciales.Lomásconvenienteyrentableseríaunasoluciónyapreparadade uncolectorFresnelconectadoaunacentraleléctricaexistente.LacompañíaaustralianaSolar HeatandPowerplaneabaparafinalesdel2003unaseriepilotode24.000mdereflectores compactosdeFresnel(CLFR)unidaaunacentraldecarbón.  Combustiblessolaresysolarizacióndeprocesosindustriales Elsectortransporteylaindustria,conun42yun31%delconsumodelaenergíafinalen España,requierendecombustiblesycalor.Estasnecesidadesenergéticas,fundamentalmente enlosrangosdetemperaturamedia(<400ºC)yalta(>600ºC),podríancubrirsemediantela integracióndesistemassolaresdecolectorescilindro‐parabólicosytorre,respectivamente.En loqueserefierealoscombustibles,enlaactualidad,suorigenesfósil.Lasíntesisdeotrosmás limpioscomoelhidrógeno,bioetanolobiodieselestábasadageneralmenteenreacciones endotérmicasquerequierenelaportedecalor.Asípues,lautilizacióndelaenergíasolaren estosprocesospodríareducirenormementeladependenciaenergéticadeloscombustibles fósiles,asícomolasemisionesdeCO2. Laproduccióndehidrógenocomovectorenergéticolimpioestásiendounadelasprioridades deinvestigaciónenelámbitomundial.Entrelosmétodosparaproducirhidrógenoconenergía solar(procesosfotoquímicos,electroquímicos,termoquímicosycombinacionesdeéstos), aquéllosquehacenusodelaradiaciónsolarconcentradapresentanmuchasposibilidadesde desarrollo.Entreelloscabedistinguirlaelectrólisisaaltatemperaturaylosmétodos termoquímicos. Enlaelectrólisisaaltatemperaturaseutilizaelcalorparacalentarelaguaydisminuirla energíaeléctricanecesariaparadisociarlamolécula.Elsuministrodelcalorylaelectricidad procedendecolectorescilindro‐parabólicos,receptorescentralesodiscosparabólicos. Laobtencióndehidrógenomediantelarupturatérmicadelamoléculadeaguapresenta algunosinconvenientesquedificultansudesarrollo.Porunlado,laselevadastemperaturasque Investigaciones recientes en células solares 19 seprecisanparaobtenerungradodedisociaciónrazonable(superioresa2500K),loque implicaproblemasdemateriales;yporotrounincrementodelaspérdidasporre‐radiación, disminuyendoasílaeficienciatérmicadelsistema.Aestohayqueañadirquealgenerarseel hidrógenoyeloxígenoenelmismolugaresprecisoutilizartécnicasefectivasdeseparación paraevitarsurecombinación.Estostresinconvenientessonlacausadequenoexistade momentoningunaplantapilotoenlaqueselleveacaboesteprocesoyquesebusquen métodosalternativos,entrelosqueseencuentranlosciclostermoquímicos. Losciclostermoquímicosenglobanunconjuntodereaccionessucesivasbasadasenprocesosde oxidación‐reducciónquereducenlatemperaturanecesariaparaladisociaciónhastavalores comprendidosentrelos800y1500K.Existenmásde2000ciclos,perolosquetienenmás posibilidadesdeprosperar,almenosenloqueserefierealautilizacióndeenergíasolar,son:la reduccióndeóxidosmetálicos,ladescomposicióndelácidosulfúrico(ciclosdelafamiliadel azufre)olahidrólisisdelosbromurosdecalcioohierro(ciclosdeltipoUT‐3). Amedioplazo,lastecnologíasdeconcentraciónsolartambiénpodríanserutilizadasen procesosdedescarbonizacióndecombustiblesfósiles,comoelcrackingdegasnaturalo petróleo,elreformadodegasnatural,petróleoohidrocarburosligeros,ylagasificacióndel carbónyotroshidrocarburospesados.Entodosestosprocesoslaradiaciónsolarseemplea comofuentecaloríficaparallevaracabounareacciónendotérmica.Paraconseguirlas elevadasrazonesdeconcentraciónnecesarias,seutilizansistemasdereceptorcentralodiscos parabólicos. Alahoradedecidirlosciclosasolarizarsetieneencuentafactorestalescomoelnúmerode reaccionesimplicadas(amásreacciones,máscomplejidad),lastemperaturasmáximasde trabajo,ladisponibilidadycostedelosreactivos,elpodercorrosivodelosmismos,la necesidadonodetransportedesólidos,etc. Elparrédoxqueseperfilaactualmentecomomásapropiadoparaelciclotermoquímicodedos pasosbasadoenlareduccióndeóxidosmetálicoseseldelZnOyZn.Elprimerpaso,a temperaturasde2000Kysuperiores,consisteenlareduccióndelóxidoametal(uóxido metálicodemenorvalencia)condesprendimientodeoxígeno.Esteprocesotambiénsepuede realizarutilizandocarbónogasnaturalcomoagentesreductores(reduccióncarbotérmica).El segundopaso,consistenteenlahidrólisisexotérmicadelaguaparaformarhidrógenoyel correspondienteóxidometálico,presentaexperimentalmenteunatasadeconversión razonableatemperaturasdelordendelos700K.Basadoenelprimerpasodeestareacción,el proyectoeuropeoSOLZINC(2001‐2005)fueelprimeroenusarconéxitolaenergíasolarenuna plantapilotoparacrearenergíaalmacenableapartirdeunmineraldemetal.Así,mediantela reduccióncarbotérmicadelZnOaZn,laenergíasolarpuedeconvertirseencombustible químico,seralmacenadadurantelargosperiodosdetiempoytransportarseagrandes distancias.Lasplantasdetamañoindustrialquesedesarrollaránapartirdeesteprototipode 300kWconstruidoenelWeizmannInstituteofScience(Israel),seprevéquealcancen rendimientosdeentre50yun60%.Cuantomayorrendimiento,menorseráeláreade colectoresnecesariaymenoresseránloscostesdelsistemadeconcentraciónsolar,que normalmentecorrespondenalamitaddelainversióntotaldelconjuntodelaplantasolarquímica.EnelproyectoSOLZINCparticiparonPROMES‐CNRS(Francia),ScanArcPlasma SystemsAB(Suecia),ZOXYEnergySystemsAG(Alemania),elPaulScherrerInstitute(PSI),El InstituteofEnergyTechnology‐ETHZ(Suiza)yelWeizmannInstituteofScience(Israel). LasíntesissolardeZnyotrosmetalesysemiconductoresconllevaadicionalmenteunahorrodel consumoeléctricoydecombustiblesfósilesinherentesaotrosmétodostradicionalesde Investigaciones recientes en células solares 20 obtención(electrólisis),conlaconsiguientereduccióndelasemisionesdeCO2yotrosgases contaminantes(CF4,C2F6,etc.). Anivelmundial,loscentrosmásrelevantesimplicadoseneldesarrollodeestetipodeprocesos son:LaPlataformaSolardeAlmería,elFélixTrombeSolarFurnceCenterdelIMP‐CNRS(Odeillo, Francia),elPaulScherrerInstitute(PSI),ElSwissFederalInstituteofTechnology‐ETHZ(Suiza),el WeizmannInstituteofScience(WIS,Israel)ylaAustralianUniversityofCamberra(ANU). EnelFélixTrombeSolarFurnceCenterlainvestigaciónsecentraenlasíntesisdemetalesy semiconductores(reduccióncarbotérmicadesíliceydemezclasAl2O3‐SiO2‐C),lasíntesisde hidrógenomediantedescarbonizacióndecombustiblesfósiles(reformadodemetano, reduccióncarbotérmicadeZnOycrackingdemetano)ylasíntesisdenanotubos.EnelWISla actividadsebasaenprocesosdereformadoycrackingdemetano,laelectrólisisaalta temperaturadevapordeagua,asícomoenprocesosdegasificacióndelabiomasaysíntesis deZnyotrosmetalesporreduccióncarbotérmica.EnlaANUsehaceespecialhincapiéenel procesodedisociacióntermosolardelamoniacoyenlagasificacióndelcarbón.EnelPSIse investigaacercadelareduccióntérmicadesulfurosyZnO,asícomosobrelareducción carbotérmicadelZnOconmetano(proceso”SynMet”). Porúltimo,entodoslossistemasmencionadosdeconcentraciónsolarcabeseñalarlaintensa actividaddeSunlab,colaboraciónentrelosSandiaNationalLaboratoriesyelNational RenewableEnergyLaboratory,dosdeloscentrosdeinvestigaciónenenergíasrenovablesmás significativosdelgobiernonorteamericano.  Sistemasdehornossolares Loshornossolaressonsistemasbasadosenunadobleconcentracióndelaradiaciónsolar, generalmenteuncampodehelióstatosyundisco,conloquesehanconseguido concentracionesporencimadelos10.000soles. Sudesarrolloestáaúnaniveldeinvestigación,enEuropasecuentaconelhornosolardela PSA‐CIEMAT(50kW),PSI‐Suizo(45kW)yelDLRalemán(25kW),yyaamayorescaladestaca elqueseencuentraenIMP‐Odeillocon1000kWdepotenciaytemperaturasmáximas alcanzablesde3800ºC. Sucampodeaplicacióncomprendeprincipalmenteensayosdemateriales,tantoen condicionesambientalescomoenatmósferascontroladasoenvacío,yexperimentosde químicasolarmediantesistemasreceptoresasociadosareactoresquímicos. Actualmente,seestádiversificandoelcampodeaplicacióndeestossistemasdealta concentraciónsolaryseestudiaeldesarrollodediferentesreactoresquepermitanelaportede caloraprocesosindustrialesydeeliminaciónderesiduosquerequieranelevadas temperaturas.Entreelloscabedestacardiferentesrutasdeproduccióndehidrógeno;los procesosdedestoxificacióndeaguayaire;lasíntesisdemetalesysemiconductores(Zn,Ca,Fe, Na,Mn,Al‐Si,etc.);ylasíntesisdeotrosmateriales,comocarburosynitrurosmetálicos,y nanotubosdecarbono.Almismotiempo,seestánmejorandolossistemasdecontroldeeste tipodesistemasdeconcentraciónsolarparaconseguirunamayorestabilidaddela temperaturaydelflujoderadiaciónsolarconcentradaenelfoco. 1.3.Energíasolarfotovoltaica Investigaciones recientes en células solares 21 Lossistemasfotovoltaicostransformanlaluzsolarenenergíaeléctrica,unapartículaluminosa conenergía(fotón)seconvierteenunaenergíaelectromotriz(voltaica),deahísunombre, fotovoltaico. Aestaconversiónfotovoltaicaselellamaefectofotoeléctrico.Elefectofotoeléctricoconsiste enlaemisióndeelectronesporunmaterialcuandoseleiluminaconradiación electromagnética(luzvisibleoultravioleta,engeneral).Elefectofotoeléctricofuedescubiertoy descritoporHeinrichHertzen1887. Eldispositivooelementoquemediaenelprocesoeslacélulasolarocélulafotovoltaica. Tambiénsellamacélulafotoeléctrica,célula,fotocélula,celdafotovoltaicaoceldasolar. Cuandolaenergíaluminosa,principalmentelaradiaciónsolar,incideenlacélulafotoeléctrica, existeundesprendimientodeelectronesdelosátomosquecomienzanacircularlibrementeen elmaterial.Sisemideelvoltajeexistenteentrelosdosextremosdelmaterial,seobservaque existeunadiferenciadepotencialentre0,5y0,6voltios. Enlaactualidadelmaterialfotosensiblemásutilizadoeselsilicio,queproducecorrientes eléctricasmayores.Hoyseutilizandiferentestecnologíasenlaproduccióndelasceldas fotovoltaicasconelfindeaumentarsuproducciónyreducirsucoste. Enlaproduccióndeceldassolaresalsilicioseleintroducenátomosdeimpurezas(dopado) paracrearunaregióntipopyunaregióntipondemododeproducirunauniónp‐n.Eldopado sepuedehacerpordifusiónaaltatemperatura,dondelasplanchassecolocanenunhornocon eldopanteintroducidoenformadevapor.Haymuchosotrosmétodosdedoparelsilicio. Unátomodelsiliciotiene4electronesdevalencia(aquellosmásdébilmenteunidos),que enlazanalosátomosadyacentes.Substituyendounátomodelsilicioporunátomoquetenga3 o5electronesdelavalenciaproduciráunespaciosinunelectrón(unagujero)ounelectrón extraquepuedamoversemáslibrementequelosotros,éstaeslabasedeldoping.Eneldoping tipop,lacreacióndeagujeros,seconsiguemediantelaincorporaciónenelsiliciodeátomos con3electronesdevalencia,generalmenteseutilizaboro.Eneldopajedetipon,lacreaciónde electronesadicionalesseconsigueincorporandounátomocon5electronesdevalencia, generalmentefósforo.  Figura1.8.Esquemadeldopajedesilicio Investigaciones recientes en células solares 22 Unavezquesecreaunauniónp‐n,sehacenloscontactoseléctricospordelanteyenlaparte posteriordelacélulaevaporandoopintandoconmetallaplancha.Laparteposteriordela planchasepuedecubrirtotalmenteporelmetal,peroelfrentedelamismatienequetener solamenteunpatrónenformaderejillaodelíneasfinasdemetal,deotramaneraelmetal bloquearíaalsoldelsilicioynohabríaningunarespuestaalosfotonesdelaluzincidente. 1.3.1.Fundamentosdelasceldassolaresyasociaciones. Paraentenderlaoperacióndeunacélulafotovoltaica,senecesitaconsiderarlanaturalezadel materialylanaturalezadelaluzdelsol.Lasceldassolaresestánformadaspordostiposde material,generalmentesiliciotipopysiliciotipon.Laluzdeciertaslongitudesdeondapuede ionizarlosátomosenelsilicioyelcampointernoproducidoporlauniónqueseparaalgunasde lascargaspositivas("agujeros")delascargasnegativas(electrones)dentrodeldispositivo fotovoltaico.Losagujerossemuevenhacialacapapositivaocapadetipopyloselectrones hacialanegativaocapatipon.Aunqueestascargasopuestasseatraenmutuamente,la mayoríadeellassolamentesepuedenrecombinarpasandoatravésdeuncircuitoexterno fueradelmaterialdebidoalabarreradeenergíapotencialinterno.Porlotantosisehaceun circuitosepuedeproducirunacorrienteapartirdelasceldasiluminadas,puestoquelos electroneslibrestienenquepasaratravésdelcircuitopararecombinarseconlosagujeros positivos.  Figura1.9.Efectofotovoltaicoenunacélulasolar Lacantidaddeenergíaqueentregaundispositivofotovoltaicoestádeterminadopor:  Eltipoyeláreadelmaterial  Laintensidaddelaluzdelsol  Lalongituddeondadelaluzdelsol Unatípicacélulafotovoltaicadesiliciomonocristalinode100cm2producirácercade1.5Wde energíaa0.5VdeCorrienteContinuay3Abajolaluzdelsolenplenoverano(el1000Wm‐2). Laenergíadesalidadelacélulaescasidirectamenteproporcionalalaintensidaddelaluzdel sol.(Porejemplo,silaintensidaddelaluzdelsolsedivideporlamitadlaenergíadesalida tambiénserádisminuidaalamitad). Unacaracterísticaimportantedelasceldasfotovoltaicasesqueelvoltajedelacélulano dependedesutamaño,ysiguesiendobastanteconstanteconelcambiodelaintensidadde luz.Lacorrienteenundispositivo,sinembargo,escasidirectamenteproporcionalala Investigaciones recientes en células solares 23 intensidaddelaluzyaltamaño.Paracomparardiversasceldasselasclasificapordensidadde corriente,oamperiosporcentímetrocuadradodeláreadelacélula. Lapotenciaentregadaporunacélulasolarsepuedeaumentarconbastanteeficacia empleandounmecanismodeseguimientoparamantenereldispositivofotovoltaico directamentefrentealsol,oconcentrandolaluzdelsolusandolentesoespejos.Sinembargo, haylímitesaesteproceso,debidoalacomplejidaddelosmecanismos,ydelanecesidadde refrescarlasceldas.Lacorrienteesrelativamenteestableaaltastemperaturas,peroelvoltaje sereduce,conduciendoaunacaídadepotenciaacausadelaumentodelatemperaturadela célula. Puestoqueunasolacélulafotovoltaicatieneunvoltajedetrabajocercanoa0.5V,estas generalmenteseconectanjuntasenserie(positivoconnegativo)paraproporcionarvoltajes másgrandes.Lasasociacionesdecélulasfotovoltaicasrecibenelnombredepaneles fotovoltaicos.Lospanelessefabricanenunaampliagamadelostamañosparadiversos propósitosquegeneralmenteseclasificanentrescategoríasbásicas:  Panelesdebajovoltaje/bajapotencia,sonconfeccionadosconectandoentre3y12 segmentospequeñosdesilicioamorfofotovoltaicoconunáreatotaldealgunos centímetroscuadradosparaobtenervoltajesentre1.5y6Vypotenciasdealgunos milivatios.Aunquecadaunodeestospanelesesmuypequeño,laproduccióntotales grande.Seutilizanprincipalmenteenrelojes,calculadoras,cámarasfotográficasy dispositivosparadetectarlaintensidaddeluz,talescomolucesqueseencienden automáticamentealcaerlanoche.   Panelespequeños,de1‐10Wy3‐12V,conáreasde100cm2a1000cm2sefabrican cortandoenpedazosceldasmonoopolicristalinasde100cm2yensamblándolasen serie,ousandopanelesamorfosdesilicio.Losusosprincipalessonenradios,juguetes, bombeadorespequeños,cercaseléctricasycargadoresdebaterías.   Lospanelesgrandes,de10a60W,yhabitualmente6o12V,conáreasde1000cm2a 5000cm2songeneralmenteconstruidosconectandode10a36celdasdelmismo tamañoenserie.Seutilizanindividualmenteparabombeadorespequeñosyenergíade casasrodantes(lucesyrefrigeración)oenconjuntosparaproporcionarenergíaa casas,comunicaciones,bombeadoresgrandesyfuentesdeenergíaenárearemotas. Siunaaplicaciónrequieremásenergíadelaquepuedeserproporcionadoporunsolopanel, puedenhacersesistemasmásgrandescombinandounnúmerodepanelesconstituyendolos módulosoconjuntos.Sinembargo,sepresentaunacomplicaciónenloscasosquelapotenciay voltajerequeridoesmayoralnivelyuniformidadquepuedeserproporcionadodirectamente delospaneles.Enestoscasos,seutilizanlossistemasfotovoltaicos,compuestosporlas siguientespartes: a. unconjuntodepanelesfotovoltaicos,variandodedosavarioscentenaresde paneles. Investigaciones recientes en células solares 24 b. unpaneldecontrol,queregulalaenergíadelospaneles. c. unsistemadelalmacenajedeenergía,constituidogeneralmentedeun conjuntodebateríasespecialmentediseñadas. d. uninversor,paraconvertirlaCorrienteContinuaenCorrienteAlterna(por ejemploCAde220V). e. Unmarcoyunacubiertaparaelsistema. f. Enformaopcionalsepuedecontarconfuentesdealimentacióndereserva talescomogeneradoresdiesel. g. Otroselementosquepuedenllegaraformarpartedelsistemasonmecanismos deseguimientoysensores. Lospanelesenlosconjuntosfuncionangeneralmenteenserie/paralelo,paralimitarelvoltaje delasalidaentre12y50V,peroconunamperajemásalto(corriente).Estoesporseguridady parareduciralmínimolaspérdidasdeenergía. Losconjuntosdepanelesseestánutilizandocadavezmásenlaconstruccióndeedificiosen dondecumplendosfunciones,proporcionarunaparedountechoyabastecerdeenergía eléctricaaledificio.Eventualmentecuandobajenlospreciosdeceldassolares,laconstrucción deedificiosconceldassolaresintegradaspuedeconvertirseenunafuentedelaenergía eléctricaimportante. Lacantidaddeenergíadiariaentregadaporlospanelesfotovoltaicosvariarádependiendode laorientación,delalocalización,delclimaydelaépocadelaño.Enpromedio,enverano,un panelproducirácercadecincoveceslaenergíaespecificadaenvatioporhorasypordía,yen inviernocercadedosvecesesacantidad.Porejemplo,enveranounpanelde50Wproducirá unpromediodede250W/hora,yeninviernocercade100W/hora.Estosvaloresson solamenteindicativos,ysedebebuscarayudaprofesionalparaobtenercálculosmásexactos.  Figura1.10.Diferenciadeenergíaobtenidaporunpanelfotovoltaicoconseguimientoyotro sinseguimiento,enfuncióndelahora. Investigaciones recientes en células solares 25 Losmecanismosdeseguimientoseutilizanparamantenerlospanelesfotovoltaicos directamentefrentealsol,paraaumentarlapotenciadesalidadelospaneles.Losmecanismos deseguimientopuedencasiduplicarlasalidadeunconjuntodepanelesfotovoltaicos.Se requieredeunanálisiscuidadosoparadeterminarsielincrementoenelcosteylacomplejidad mecánicadeunmecanismodeseguimientoesrentableencircunstanciasparticulares. Frecuentementeesnecesarioalmacenarlaenergíadebidoaqueserequiereenergíaaun cuandoelsolnoestábrillando(yaseadurantelanocheoenperíodoscuandoelcieloestá nublado)oencantidadesmayoresalasquepuedenserprovistasdirectamentedelconjunto.Se utilizangeneralmentebateríasde"cicloprofundo"diseñadasespecialmente.Adiferenciade lasbateríasnormales,estaspuedendescargarcercadelamitaddelaenergíaalmacenada variasmilesdevecesantesdequedeterioren.Cadabateríageneralmenteesde2V,yel conjuntototaldebateríasestáformadogeneralmenteporvariasbateríasconectadasenserie oparaleloparaproporcionarelniveldeenergíarequerido.Lasbateríasdebenserlas adecuadasparasatisfacercadausoparticular,dependiendodelaradiaciónsolardiariatotal, lacargatotal,lacargamáximayelnúmerodedíasdealmacenajerequerido. Losinversorestransformanlacorrientecontinuadelabajatensióndelasbaterías(12V,24V, 32o48V)encorrientealternadealtovoltaje(porejemplo110Vo220V).Losinversoresson necesariossisevanutilizarelectrodomésticosoinstrumentosdevoltajenormal.Enla determinacióndelcostototaldelsistema,puedellegarasermáseconómicocomprarun inversoryelectrodomésticosproducidosparaconsumomasivoqueutilizarelectrodomésticos decorrientecontinuadebajatensiónquepuedensermáscostosos. Algunasaplicaciones,talescomolucesdealtaeficaciaactualmentenoseencuentran disponiblesparabajastensiones.Enestecaso,elcostodeutilizarmáspanelesdebeser equilibradoconelcostodeuninversor. Fuentesdepotenciaauxiliarodereservasonrequeridascuandodebesergarantizadala confiabilidaddelafuentedeelectricidad,cuandoespocoeconómicoproporcionarel almacenajeconbateríasparaperíodosnubladosextendidosinfrecuentes,ocuandoalgunas aplicacionestienenrequisitosintermitentesdegrandescantidadesdeenergíaqueseanpoco convenientesdesatisfacerconelsistemafotovoltaico. Enocasiones,siesviablelacombinacióndelsolydelviento,seutilizangeneradoreseólicos conjuntamenteconsistemasfotovoltaicos.Seutilizanamenudocomoreservapequeños generadoresagasolinaodiesel.Estossistemassonrelativamentebaratosdecomprarperosu funcionamientoescostoso. 1.3.2.Aplicaciones Durantegranpartedelosañosochentaydeprincipiosdelosañosnoventaelmayormercado paralospanelessolaresestabaenlasfuentesdealimentaciónparaáreasremotasyalgunos productosdeconsumo(relojes,juguetesycalculadoras).Sinembargoamediadosdelosaños noventaserealizounimportanteesfuerzoparadesarrollarpanelessolaresintegradosenla construccióndeedificiosparaserconectadosalared.Eltejadofotovoltaicoactualmenteestá liderandoeldesarrollodelmercadoenJapón,EuropaylosEE.UU.Japóntieneactualmenteun programaconelobjetivodeconstruir70.000hogaressolares,conelcualparaelaño2010 esperanalcanzarunos4.820MWproducidosporsistemasfotovoltaicos.EnEuropa,varios paísesestánapoyandolaconstruccióndehogaressolares,conelParlamentoEuropeo Investigaciones recientes en células solares 32 ComoseapreciaelátomodeSbnosolocumpleconloscuatroenlacescovalentes,sinoqueaún lesobraunelectrón,quetiendeasalirsedesuórbitaparaquequedeestableelátomodeSb. Porcadaátomodeimpurezasañadidoapareceunelectrónlibreenlaestructura.Aunquese añadanimpurezasenrelacióndeunoaunmillón,enlaestructuradelsilicioademásdelos 1010electronesy1010huecoslibresqueexistenporcm3,alatemperaturaambiente,hayahora quesumarunacantidaddeelectroneslibresequivalentealadeátomosdeimpurezas.Enestas condicioneselSiconimpurezasdeSbalcanza1016electroneslibresy1010huecoslibresporcm3, siendoenconsecuenciaelnúmerodeportadoreseléctricosnegativosmuchomayorqueelde lospositivos,porloquelosprimerosrecibenladenominacióndeportadoresmayoritariosylos segundosladeportadoresminoritariosy,porelmismomotivo,seleasignaaestetipode semiconductoresextrínsecoslaclasificacióndesemiconductorextrínsecotipon.  SEMICONDUTORESEXTRÍNSECOSTIPOP: enlaFigura2.2sepresentalaestructuracristalina delSidopadoconaluminio(Al).Porcadaátomodeimpurezastrivalentequeseañadeal semiconductorintrínsecoapareceenlaestructuraunhueco,oloqueeslomismo,lafaltadeun electrón. Figura2.2.Esquemadeunsemiconductortipop.  Añadiendounátomodeimpurezastrivalenteporcadamillóndeátomosdesemiconductor existen:1016huecoslibresy1010electroneslibresporcm3,alatemperaturaambiente.Comoen estesemiconductorhaymayornumerodecargaspositivasohuecos,selesdenominaaestos, portadoresmayoritarios;mientrasqueloselectroneslibres,únicamentepropiciadosporlos efectosdelaagitacióntérmicasonlosportadoresminoritarios.Porestamismarazónel semiconductorextrínsecoasíformadorecibeelnombredesemiconductorextrínsecotipop, siendoneutroelconjuntodelaestructura,aligualquesucedíaconelTIPON.  UNIÓNDELSEMICONDUCTORPCONELN:AlcolocarpartedelsemiconductorTIPOPjuntoa otrapartedelsemiconductorTIPON,debidoalaleydedifusiónloselectronesdelazonaN, dondehayaltaconcentracióndeestos,tiendenadirigirsealazonaP,quecasinotiene, sucediendolocontrarioconloshuecos,quetratandedirigirsedelazonaP,dondehayalta concentracióndehuecos,alazonaN.Estoocasionasuencuentroyneutralizaciónenlazona deunión.Alencontrarseunelectrónconunhuecodesapareceelelectrónlibre,quepasa Investigaciones recientes en células solares 33 ocuparellugardelhueco,yporlotantotambiéndesapareceesteúltimo,formándoseendicha zonadelauniónunaestructuraestableyneutra.EstoseapreciaenlaFigura2.3. Figura2.3.Esquemadelauniónpn.  ComoquieraquelazonaNeraenprincipioneutrayalcolocarlajuntoalazonaPpierde electroneslibres,hacequecadavezvayasiendomáspositiva,mientrasquelazonaP,alperder huecos,sehacecadavezmásnegativa.Asíapareceunadiferenciadepotencialentrelaszonas NyP,separadasporlazonadeuniónqueesneutra.Latensiónqueapareceentrelaszonas, llamadabarreradepotencial,seoponealaleydedifusión,puestoqueelpotencialpositivoque sevacreandoenlazonaNrepelealoshuecosqueseacercandeP,yelpotencialnegativode lazonaPrepelealoselectronesdelazonaN.Cuandoambaszonashanperdidociertacantidad deportadoresmayoritariosquesehanrecombinado,labarreradepotencialcreadaimpidela continuacióndeladifusiónyportantolaigualacióndelasconcentracionesdeambaszonas.La barreradepotencialesdelordende0.2VcuandoelsemiconductoresdeGeydeunos0.5V cuandoesdeSi.  Lasaplicacionesdelaenergíasolarfotovoltaicaestánbasadasenelaprovechamiento delefectofotovoltaicoquetienemuchoqueverconloexplicadoanteriormente.Deformamuy resumidaydesdeelpuntodevistaeléctrico,el“efectofotovoltaico”seproducealincidirla radiaciónsolar(fotones)sobrelosmaterialesquedefinimosalprincipiocomosemiconductores extrínsecos.Laenergíaquerecibenestosprovenientesdelosfotones,provocaunmovimiento caóticoenelinteriordelmaterial.  Alunirdosregionesdeunsemiconductoralqueartificialmentesehabíadotadode concentracionesdiferentesdeelectrones,medianteloselementosquedenominábamos dopantes,seprovocabauncampoelectrostáticoconstantequereconducíaelmovimientode electrones.Estematerialformadoporlaunióndedoszonasdeconcentracionesdiferentesde electronesladenominábamosuniónPN,pueslacélulasolarendefinitivaesesto;unauniónPN enlaquelaparteiluminadaserálatipoNylanoiluminadaserálatipoP.  Deestaforma,cuandosobrelacélulasolarincidelaradiación,apareceenellaunatensión análogaalaqueseproduceentrelasbornasdeunapila.Mediantelacolocacióndecontactos Investigaciones recientes en células solares 34 metálicosencadaunadelascaraspuede“extraerse”laenergíaeléctrica,queseutilizarápara alimentarunacarga. (2.1) (2.2)  Paraquesecumplaelefectofotovoltaicodebecumplirseque:  Porotroladoydandounaexplicacióndesdeunpuntodevistacuántico,sufuncionamientose basaenlacapacidaddetransmitirlaenergíadelosfotonesdelaradiaciónsolaralos electronesdevalenciadelosmaterialessemiconductores,demaneraqueestoselectrones rompensuenlacequeanteriormentelosteníaligadoaunátomo.Porcadaenlacequese rompequedaunelectrónyunhueco(faltadeelectrónenunenlaceroto)paracirculardentro delsemiconductor.Elmovimientodeloselectronesyhuecosensentidosopuestos(conseguido porlaexistenciadeuncampoeléctricocomoveremosposteriormente)generaunacorriente eléctricaenelsemiconductorlacualpuedecircularporuncircuitoexternoyliberarlaenergía cedidaporlosfotonesparacrearlospareselectrón‐hueco.Elcampoeléctriconecesarioalque sehacíareferenciaanteriormente,seconsigueconlaunióndedossemiconductoresde diferentedopado:UnsemiconductortipoP(excesodehuecos)yotrotipoN(excesode electrones).QuealunirloscreaelcampoeléctricoE.  Cuandoconectamosunacélulasolaraunacargaylacélulaestáiluminada,seproduceuna diferenciadepotencialenextremosdelacargaycirculaunacorrienteporella(efecto fotovoltaico),talycomoserepresentaenlaFigura2.4.   Figura2.4.Esquemadelefectofotovoltaico,provocadoalunirunsemiconductortipoPyotro tipoN. Investigaciones recientes en células solares 35  Lacorrienteentregadaaunacargaporunacélulasolareselresultadonetodedos componentesinternasdecorrientequeseoponen.Estasson:  Corrientedeiluminación:debidaalageneracióndeportadoresqueproducelailuminación.  (2.3) Corrientedeoscuridad:debidaalarecombinacióndeportadoresqueproduceelvoltaje externonecesarioparapoderentregarenergíaalacarga.  (2.4)  Losfotonesseránlosqueformaran,alromperelenlace,lospareselectrón‐huecoy,debidoal campoeléctricoproducidoporlaunióndematerialesenlacéluladetipoPyN,seseparan antesdepoderrecombinarseformándoseasílacorrienteeléctricaquecirculaporla célulayla cargaaplicada.  Algunosfotonespuedennoseraprovechadosparalacreacióndeenergíaeléctricapor diferentesrazones.  ‐ Losfotonesquetienenenergíainferioralanchodebandaprohibidadelsemiconductor atraviesanelsemiconductorsincedersuenergíaparacrearpareselectrón‐hueco.  ‐Aunqueunfotóntengaunaenergíamayoroigualalanchodebandaprohibidapuedenoser aprovechadoyaqueunacélulanotienelacapacidaddeabsorberlosatodos. ‐Además,losfotonespuedenserreflejadosenlasuperficiedelacélula.  CURVACARACTERÍSTICAI‐VDEILUMINACIÓNREAL: LacurvaI‐Vdeunacélulafotovoltaica representaparesdevaloresdetensióneintensidadenlosquepuedeencontrarsefuncionando lacélula.Losvalorescaracterísticossonlossiguientes:  Tensióndecircuitoabierto(Voc):queeselmáximovalordetensiónenextremosdelacélulay sedacuandoestanoestáconectadaaningunacarga.  Corrientedecortocircuito(Isc):definidocomoelmáximovalordecorrientequecirculaporuna célulafotovoltaicaysedacuandolacélulaestáencortocircuito.  Lasiguienteecuaciónrepresentatodoslosparesdevalores(I/V)enquepuedetrabajaruna célulafotovoltaica. (2.5)  Tambiénsepuedeexpresarcon:  (2.6)  Investigaciones recientes en células solares 36 Puntodemáximapotencia"PMP"(PM):Eselproductodelvalordetensiónmáxima(VM)e intensidadmáxima(IM)paralosquelapotenciaentregadaaunacargaesmáxima.  FACTORDEFORMA(FF):Sedefinecomoelcocientedepotenciamáximaquesepuede entregaraunacargaentreelproductodelatensióndecircuitoabiertoylaintensidadde cortocircuito,esdecir:   (2.7)  Eficienciadeconversiónenergéticaorendimiento:Sedefinecomoelcocienteentrelamáxima potenciaeléctricaquesepuedeentregaralacarga(PM)ylairradianciaincidente(PL)sobrela célulaqueeselproductodelairradianciaincidenteGporeláreadelacélulaS:   (2.8) Dichosparámetrosseobtienenenunascondicionesestándardemedidadeusouniversalsegún lanormaEN61215.  Irradiancia:1000W/m2(1kW/m2)  Distribuciónespectraldelaradiaciónincidente:AM1.5(masadeaire)  Incidencianormal.  Temperaturadelacélula:25ºC.  OtroparámetroeslaTONCoTemperaturadeOperaciónNominaldelaCélula.Dicho parámetrosedefinecomolatemperaturaquealcanzanlascélulassolarescuandosesometen alassiguientescondicionesdeoperación:  Irradiancia:800W/m2  Distribuciónespectraldelaradiaciónincidente:AM1.5(masadeaire)  Incidencianormal  Temperaturaambiente:20ºC  Velocidaddelviento:1m/s  Influenciadelatemperaturaenlosparámetrosbásicosdeunacélulafotovoltaica:Al aumentarlatemperaturadelacélulaempeoraelfuncionamientodelamisma: ‐Aumentaligeramentelaintensidaddecortocircuito.  ‐Disminuyelatensióndecircuitoabierto,aproximadamente:‐2.3mV/ºC  ‐ElFactordeFormadisminuye.  Investigaciones recientes en células solares 37 ‐Elrendimientodecrece.  2.2.Investigaciónydesarrollo   Figura2.5.Panelesfotovoltaicos. Latécnicanohaalcanzadolamadurezymuchasvíasdeinvestigaciónestánsiendoexploradas, primerosedebereducirelcostodelaelectricidadproducida,ytambiénavanzarenla resistenciadelosmateriales,flexibilidaddeuso,facilidaddeintegraciónenlosobjetos,enla vida,etc.).Todaslasetapasdelosprocesosdefabricaciónsepuedenmejorar,porejemplo:  Laempresa«EvergreenSolar»haconseguidorealizareldepósitodesiliciotodavía líquidoenunapelículadondesecristalizadirectamenteconelespesorprecisodela lámina.  Laempresa"Nanosolar"haindustrializadolaproduccióndecélulasCGISmedianteuna técnicadeimpresiónencontinuo,esperandouncostode1$/Wenelaño2010.  Todaslascompañíashananunciadosucesivosaumentosdelaeficienciadesuscélulas.  Eltamañodelasobleasestácreciendodemaneraconstante,reduciendoelnúmerode manipulaciones  Setratadeutilizarmejortodaslaslongitudesdeondadelespectrosolar(incluyendoel infrarrojo,loqueabreperspectivasinteresantes:laconversióndirectadelaluzdeuna llamaenelectricidad,refrigeración).  Concentradores(yautilizadosenlossatélites)seestánprobandoenlatierra.Através deespejosylentesincrustadosenelpanel,focalizanlaradiaciónenlacélula fotovoltaica.Afinalesde2007,Sharphaanunciadoladisponibilidaddeunsistemade enfoquehasta1100veceslaradiaciónsolar(contra700vecesparalamarcapreviade 2005);aprincipiosde2008,Sunrgihaalcanzado1600veces.Laconcentraciónpermite disminuirlaproporcióndelosgruposdepanelesdedicadosalaproducciónde electricidad,yporlotantosucoste.Porotraparte,estosnuevosmaterialessoportan muybienlaelevadatemperaturadebidaalaconcentracióndelflujosolar. Investigaciones recientes en células solares 38  Seestáestudiandotambiénlaposibilidaddeunirelsilicioamorfoyelcristalino porheterouniónenunacélulasolarmássimpledemásdel20%deeficiencia.Proyecto de2añosanunciadoaprincipiosde2008,conlaparticipacióndelLaboratoriode InnovaciónparaNuevasTecnologíasEnergéticasyNanomaterialesdelCEA‐Litenyla empresacoreanaJUSUNG(proveedordeequipamientoparalosfabricantesde semiconductores),conelINES(Savoy)dondelaCEA‐Litenhaconcentradosus actividadesenlaenergíasolar.  Otrossemiconductores(selenio;asociacióncobre‐indio‐selenio(CIS)depelículafina)se estánestudiandoporejemploenFranciaporelinstitutodeinvestigaciónydesarrollo enenergíafotovoltaica(IRDEP).ElCISpareceofrecerunmodestorendimientodel 12%,peroconbajocostodefabricación.  Loscompuestosorgánicosde(materiasplásticas)tambiénpuedenserusadaspara hacercélulasfotovoltaicasdepolímeros,ypodríallegarahacersepanelesflexiblesy ligeros,azulejos,tejidosovelassolares,esdeesperarquedefabricaciónabajocoste. Enlaactualidadlosrendimientossonbajos(5%comomáximo),asícomosuvida,yaún quedanmuchosproblemastécnicosporresolver.Aprincipiosde2008,elgrupo japonésFujikuraanunciabahaberpuestoaprueba(1000horasa85°Cycon unahumedaddel85%)unascélulasfotovoltaicasorgánicasdetipoGrätzelnosólomás resistente,sinoquesurendimientomejoródel50al70%conunasuperficierugosaque distribuyealazarlaluzreflejadadentrodelacéluladondeseliberandenuevolas cargaseléctricasmediantelaactivacióndeotrospigmentosfotosensibles.  UnequipodeEE.UU.deBostonCollegeenChestnutHill(Massachusetts)ha desarrolladopanelessolarescapacesderecuperarelespectroinfrarrojoyconvertirlo enelectricidad.Estopermitiríalaproduccióndeelectricidadapartirdecualquier fuentedecalor,inclusoporlanoche.Hastaahora,sólounapartedelaradiacióndela luzvisible,predominantementeverdeyazul,setransformabaenelectricidadyla radiacióninfrarrojaseutilizabaenlospanelestérmicosparacalentarelagua.  Asimismo,sepretendefabricarcélulastransparentes;modelosimpulsadosporel InstitutoalemánFraunhoferparalaMecánicadeMateriales(IWM;proyecto "METCO"sugierenquelascélulastransparentesbicapapodríanalgúndíaser producidasindustrialmente.Lossemiconductoresdetipoptransparentesparecenmás difícilesdeproducir(elfósforopodríaserundopante‐Pdelóxidodezinc,peroel nitrógenoparecesermásprometedor.)  Porúltimo,laescasezdesilicioodeproductosdopantes(elpreciodeindioseha multiplicadopordiezdesde2002hasta2009trassurarefacción)aumentaaúnmáslos incentivosparalainnovacióndeunmercadoenfuertecrecimientoquepareceenorme, sobretodosisepuedereducirelcostodelaelectricidadyacercarloaldelos combustiblesfósiles.   Investigaciones recientes en células solares 39 2.3.Lascuatrogeneracionesdecélulasfotoeléctricas Lascélulasfotoeléctricasseclasificanencuatrogeneracionesqueindicanelordende importanciayrelevanciaquehantenidohistóricamente.Enelpresentehayinvestigaciónenlas tresúltimasgeneraciones,mientrasquelastecnologíasdelaprimerageneraciónrepresentan el89.6%delaproduccióncomercialen2007. Laprimerageneracióndecélulasfotovoltaicasconsistíaenunagransuperficiedecristal simple.Unasimplecapaconunióndiodop‐n,capazdegenerarenergíaeléctricaapartirde fuentesdeluzconlongitudesdeondasimilaresalasquelleganalasuperficiedelaTierra provenientesdelSol.Estascélulasestánfabricadas,usualmente,usandounprocesodedifusión conobleasdesilicio.Estaprimerageneración(conocidatambiéncomocélulassolaresbasadas enoblea)son,actualmente,(2007)latecnologíadominanteenlaproduccióncomercialy constituyen,aproximadamente,el86%delmercadodecélulassolaresterrestres.Las tecnologíasdelaprimerageneraciónnopermitenyaavancessignificativosenlareducciónde loscostesdeproducción.Losdispositivosformadosporlaunióndecélulasdesilicioseestán acercandoallímitedeeficaciateóricaqueesdel31%ytienenunperiododeamortizaciónde5‐ 7años. Elsilicioesactualmenteelmaterialmáscomúnmenteusadoparalafabricacióndecélulas fotovoltaicas.Seobtieneporreduccióndelasílice,compuestomásabundanteenlacortezade laTierra,enparticularenlaarenaoelcuarzo.Elprimerpasoeslaproduccióndesilicio metalúrgico,puroal98%,obtenidodepedazosdepiedrasdecuarzoprovenientesdeunfilón mineral(latécnicadeproducciónindustrialnopartedelaarena).Elsiliciodecalidad fotovoltaicadebeserpurificadohastaalcanzarmásde99,999%,queseobtienemediantela conversióndelsilicioenuncompuestoquímicoquesedestilayluegovuelveatransformarseen silicio. Elsilicioseproduceenbarrasllamadas«lingotes»desecciónredondaocuadrada.Estos lingotessonluegocortadosenláminasdelgadascuadradas(siesnecesario)de200 micrómetrosdeespesor,quesellaman«obleas».Despuésdeltratamientoparalainyeccióndel enriquecidocondopante(P,As,SboB)yobtenerasílossemiconductoresdesiliciotipopon, lasobleasson«metalizadas»:unascintasdemetalseincrustanenlasuperficieyseconectan acontactoseléctricos.Unavezquelasobleassemetalizansehanconvertidoencélulassolares. Laproduccióndecélulasfotovoltaicasrequiereenergía,yseestimaqueunmódulofotovoltaico debetrabajaralrededorde2a3añossegúnsutecnologíaparaproducirlaenergíaquefue necesariaparasuproducción(móduloderetornodeenergía). Lastécnicasdefabricaciónycaracterísticasdelosprincipalestiposdecélulassedescribenen lossiguientes3párrafos.Existenotrostiposdecélulasqueestánenestudio,perosuusoescasi insignificante. Losmaterialesyprocesosdefabricaciónsonobjetodeprogramasdeinvestigaciónambiciosos parareducirelcostoyelrecicladodelascélulasfotovoltaicas.Lastecnologíasdepelícula delgadasobresustratossinmarcarrecibiólaaceptacióndelaindustriamásmoderna.En2006 y2007,elcrecimientodelaproducciónmundialdepanelessolaressehavistoobstaculizado Investigaciones recientes en células solares 40 porlafaltadecélulasdesilicioylospreciosnohancaídotantocomoseesperaba.Laindustria buscareducirlacantidaddesilicioutilizado.Lascélulasmonocristalinashanpasadode300 micrasdeespesora200ysepiensaquellegaránrápidamentealas180y150micras, reduciendolacantidaddesilicioylaenergíarequerida,asícomotambiénelprecio. Lasegundageneracióndematerialesfotovoltaicossebasanenelusodedepósitos epitaxialesmuydelgadosdesemiconductoressobreobleasconconcentradores.Haydosclases decélulasfotovoltaicasepitaxiales:lasespacialesylasterrestres.Lascélulasespaciales, usualmente,tieneneficienciasAM0(AirMassZero)másaltas(28‐30%),perotienenuncosto porvatiomásalto.Enlasterrestreslapelículadelgadasehadesarrolladousandoprocesosde bajocoste,perotienenunaeficienciaAM0(7‐9%),másbaja,y,porrazonesevidentes,se cuestionanparaaplicacionesespaciales. Lasprediccionesantesdelallegadadelatecnologíadepelículadelgadaapuntabanauna considerablereduccióndecostosparacélulassolaresdepelículadelgada.Reducciónqueyase haproducido.Actualmente(2007)hayungrannúmerodetecnologíasdemateriales semiconductoresbajoinvestigaciónparalaproducciónenmasa.Sepuedenmencionar,entre estosmateriales,alsilicioamorfo,siliciopolicristalino,siliciomicrocristalino,telururode cadmioysulfurosyseleniurosdeindio.Teóricamente,unaventajadelatecnologíadepelícula delgadaessumasareducida,muyapropiadaparapanelessobrematerialesmuyligeroso flexibles.Inclusomaterialesdeorigentextil. Elsiliciodurantesutransformación,produceungasqueseproyectasobreunaláminade vidrio.Laceldaesgrismuyoscuro.Eslacéluladelascalculadorasyrelojesllamadosde «solares».Estáscélulasfueronlasprimerasensermanufacturadas,yaquesepodíanemplear losmismosmétodosdefabricacióndediodos. Ventajas:  Funcionaconunaluzdifusabaja(inclusoendíasnublados),  Unpocomenoscostosaqueotrastecnologías,  Integraciónsobresoporteflexibleorígido. Inconvenientes:  Rendimientoaplenosolbajo,del5%al7%.  Rendimientodecrecienteconeltiempo(~7%).      Investigaciones recientes en células solares 41 Céluladesiliciomonocristalino: Figura2.6.Célulafotovoltaicabasadaensiliciomonocristalino Alenfriarse,elsiliciofundidosesolidificaformandosolounúnicocristaldegrandes dimensiones.Luegosecortaelcristalendelgadascapasquedanlugaralascélulas.Estas célulasgeneralmentesondecolorazuluniforme. Ventajas:  Buenrendimientode14%al16%.  BuenarelaciónWpm²(~150WC/m²,loqueahorraespacioencasonecesario.  Númerodefabricanteselevado. Inconvenientes:  Costeelevado Célulasdesiliciomulticristalino:  Figura2.7.Célulafotovoltaicabasadaensiliciomuticristalino. Duranteelenfriamientodesilicioenunmoldeseformanvarioscristales.Lafotocélulaesde aspectoazulado,peronoesuniforme,sedistinguendiferentescolorescreadosporlos diferentescristales.  Investigaciones recientes en células solares 48 delapelículanecesitaradicalesprimarioscomunes(SiatómicoyHatómico)producidosporel filamentocaliente.Sinembargo,algunosinformesindicanquelaspelículasdepositadasporel métododefilamentocalientenomuestranunacorrelaciónsistemáticaentrelosparámetrosde deposiciónylaspropiedadesresultantesdelaspelícula.Porotrolado,algunosinformeshan mostradoquelaspelículasconunmuybajocontenidoenhidrógenotienencasilamisma calidadquelaspelículasproducidasmedianteP‐CVD,lascualescontienenunagrancantidad dehidrógeno(>15at%).Además,laspelículasobtenidasconelmétododelfilamentocaliente muestranmenosdegradacióninducidaporlaluz. Enesteapartadodelcapítulo,sepresentaranlaspropiedadeseléctricas,ópticasyestructurales depelículasa‐Si:Hdepositadasporelmétododelfilamentocalienteenfuncióndela temperaturadelsustrato.Sehizounintentodedepositarpelículasmuyfotosensitivasconbajo contenidoenhidrógenomedianteHW‐CVD.Enelpresenteestudio,seobtendránpelículasdea‐ Si:Hmásfotosensibles,conbajocontenidodehidrógenoamayoresrelacionesdedeposición. 3.1.1.3.Procedimientosexperimentales Laspelículasfuerondepositadassimultáneamenteenvidrio"corning#7059"yenobleasc‐Sien unsistemaHW‐CVD.Seutilizócomofuentegassilanopuro(SiH4)y"MathesonSemiconductor Grade".Lapresiónduranteladeposiciónsemantuvoconstanteusandounaválvulareguladora manual.Latemperaturadelfilamentosemantuvoa1900±25ºC.Latemperaturadelsustrato sevariódesde50a400ºCenintervalosde50ºC. OtrosparámetrosdedeposiciónseenumeranenlaTabla3.1. Tabla3.1.CondicionesdeformacióndelaspelículasdeSi:H  Enelmétododelfilamentocaliente,lossustratosalgunasvecessecalientanamayor temperaturaqueelnivelpermisiblemedianteradiacióntérmicadelfilamentocaliente.Porello escrucialuncontrolprecisodelatemperaturadelsustrato.Sehainformadoqueelcontrol precisodelatemperaturadelsustratosepuedelograrconunamplioespaciamientoentreel filamentocalienteyelsoportedelsustratoyconlareduccióndelacapacidadtérmicadel soportedelsustratoenelquesemontaelsustrato.Sinembargo,unadesventajadeeste métodoesladisminucióndelratiodedeposición.Paramantenerlatemperaturadelsustrato independientedelcalordelfilamentocaliente,semantieneunadistanciaentreellosde6cm. Conelfindegarantizarunatemperaturaestabledelsustrato,antesdecadadeposición,el soportedelsustratoylacámaradedeposiciónsehorneandurante2horasa200ºC.Esto ademásayudaaeliminarcualquiervapordeaguaabsorbidoenelsustratoyareducirla Investigaciones recientes en células solares 49 contaminacióndeoxigenoenlapelícula.Despuésdeesto,latemperaturadelsustratoselleva alvalordeseadomedianteunajusteapropiadodelcontroladordetemperatura.La temperaturadelsustratosemantieneconstanteenelvalordeseadoduranteladeposición usandountermoparyuncontroladordetemperaturaconunerrorde±2ºCconcirculaciónde aguaderefrigeraciónconuncaudalde2400litrosporhoraatravésdelsoportedeacero inoxidabledelsustrato.Conestaconfiguración,todavíaseobservóunpequeñoaumentodela temperaturadelsustratode(~5‐10ºC)durantelos10minutosdelperiododedeposiciónpara unatemperaturadelsustratomenorde150ºC. Laconductividadoscura(σdark)ylafotoconductividad(σphoto)semidenconunelectrodocoplanardeAl.ElespectroFTIR(espectrodeinfrarrojosportransformadadeFourier)seregistró enunPerkin‐ElmerespectrofotómetroFTIR.Losenlacesdehidrógenocontenidos(CH)son calculadosapartirdelaflexiónasimétricadelospicosabsorciónenelinfrarrojodelSi‐H usandoelmétodoproporcionadoporBrodskyetal.Labandaprohibidaópticasemidióusando unagráficadeTaucconvencional.ElespectrodeRamanseregistróconunSpextercerláser EspectrómetroRaman.ElespesordelapelículasedeterminóconunperfilómetroTalystep (Taylor‐Hobson).Parainvestigarladegradacióndelaspelículasoptimizadasintrínsecasdea‐ Si:H,laspelículasfueronexpuestasdirectamenteaunaintensaluzsolarteniendounamedia insolaciónsolarde860mWcm‐2ylafotocorrientefuemonitorizada. 3.1.1.4.Resultadosydiscusiones 3.1.1.4.1Variaciónenlavelocidaddedeposición LaFigura3.2muestralavariacióndelavelocidaddedeposiciónenfuncióndelatemperatura delsustrato(Tsub)paralaspelículasdea‐Si:Hdepositadasporelmétododelfilamentocaliente. ComosepuedeverenlaFigura3.2,lavelocidaddedeposiciónenpelículasa‐Si:Hdecrece desde35a12.5Ås‐1mientraslatemperaturadelsustratoaumentadesde50a400ºC.El decrecimientodelratiodedeposiciónconaumentoenlatemperaturadesustratosepuede atribuiraladependenciadelatemperaturadelaprobablereacciónoaunaumentoenla desorcióndesilanodelasuperficiedelapelícula.Aunabajatemperaturadesustrato,la movilidaddelasuperficieradialdelosátomosañadidosesbaja.Comoresultadodeesto, numerososátomosañadidossonincorporadosenelcrecimientodelapelícula.Conun aumentoenlatemperaturadelsustrato,cadaátomoañadidorecibesuficienteenergíaysu movilidadsuperficialaumenta.Estoaumentasulongituddedifusiónpermitiéndoleselegir lugaresfavorablesdebajaenergía.Comoresultadodeesto,elratiodedeposicióndisminuye conelaumentodelatemperaturadesustrato. Investigaciones recientes en células solares 50  Figura3.2.Velocidaddedeposiciónfrentealatemperaturadesustrato 3.1.1.4.2AnálisisespectroscópicoFTIR ElinterferómetrodeMichelsonconstituyeelcorazóndelosespectrómetrosFTIR,ysustituyea lareddedifraccióncomoelementoseleccionadordefrecuencias.Uninterferómetrode Michelsonestáconstituidoporundivisordehaz(beamsplitter),unespejofijoyunespejo móvil. Eldivisordehaz(normalmentesetratadeunapelículadelgadadegermanio)generados ondasenfaseviajandoendireccionesdiferentes,hacialosespejos.Unavezreflejadosenéstos, lasdosondasserecombinannuevamenteeneldivisordehaz,produciéndoseunainterferencia entreambas.Unavezrecombinadas,eldetectorregistraráunaintensidadquedependerádela diferenciadecaminoimpuestaporlaposicióndelosespejos. LaseñalquerecibeeldetectorenelinterferómetrodeMichelsoncorrespondeala transformadadeFourierdeladistribuciónespectraldelafuenteinfrarrojaenestudio.Esta señalrecibeelnombredeinterferograma. Unavezqueseconoceelinterferogramapormedidadirecta,seobtieneladistribución espectraldeirradianciadelafuenteinfrarrojasinmásquecalcularlatransformadadeFourier inversa. UninterferómetrodeMichelsonpresentaunaseriedeventajasfrentealossistemas dispersivos. 1.‐Simplicidadmecánica:sóloexisteuncomponenteenmovimiento(elespejomóvil). 2.‐ Elevadasensibilidadyvelocidad(ventajadeFelguett).Todaslasfrecuenciassemiden simultáneamente.Unespectrocompletosepuedeobtenerenunespaciodetiempomuycorto, pudiéndosetomarmuchosbarridospararealizarpromediosyreducirelruido. 3.‐Mayorflujodeenergía(ventajadeJacquinot) Investigaciones recientes en células solares 51 4.‐Utilizaunlásercomoreferenciainterna(ventajadeConnes).Lacalibraciónenfrecuencias delinterferómetroesmuyprecisayestable,alutilizarunláserdeHe‐Ne 5.‐ Eliminalaluzdifusa.Debidoacómoelinterferómetromodulacadafrecuencia,nohay equivalenteenunFTIRalaluzdifusaenlossistemasdispersivos. 6.‐Resoluciónconstanteatodaslasfrecuencias. 7.‐Ausenciadediscontinuidadesenelespectro,alnohabercambiosdereddedifracción. 8.‐Nohaycontribucionesdebidasalareemisióndelamuestra,alencontrarseéstadetrásdel interferómetroysuemisiónnosermoduladaporéste. Conelfindeinvestigarlaconfiguracióndelenlacedehidrógenodelsilicioydeterminarel contenidodehidrógenoenlaspelículasdea‐Si:HseusólaespectroscopiaFTIR.ElespectroFTIR (normalizadoporespesor)depelículasdea‐Si:Hdepositasmedianteelmétododelfilamento calienteenc‐Siavariastemperaturasdesustrato(Tsub)semuestranenlaFigura3.3.  Figura3.3.IntensidadfrenteanúmerodeondaparalaespectroscopiaFTIRrealizadaalas películasdea‐Si:H Dedondesepuedensacarlassiguientesobservaciones: 1.TodaslaspelículastienenlamayorbandadeabsorciónenIRcentradacercade618cm‐1que correspondenaespeciesconenlacesimpledehidrógeno(Si‐H)convibracioneslocalesdelos modosflexionessimétricasenelplano(balanceo,"rocking")/flexionessimétricasfueradel plano(aleteo,"wagging").Estaamplituddeabsorcióndependedelatemperaturade Investigaciones recientes en células solares 52 deposición.SeveclaramentequelaamplituddeabsorcióndelaleteodeSi‐Hdisminuyeconun aumentodelatemperaturadelsustrato. 2.Labandadeabsorcióna1900‐2250cm‐1seobservaparatodaslaspelículasypuede asignarseavibracioneslocalesdelasespeciesSi‐H,Si‐H2,SiH3deltipotensiónoelongación ("stretching").Comoseveenelespectro,alaumentarTsub,laintensidaddelabandaa1900‐ 2250cm‐1tambiéndisminuye. 3.UnacaracterísticaimportantedelespectroFTIReslaausenciadelabandadeabsorción 2090cm‐1debidoaldi‐hidruro(grupoSi‐H2aislado)oalenlacedehidrógenoarracimadoen(Si‐ H2)nforma(grupoSi‐H2acoplado)encimadetodoelrangodeTsubestudiado. 4.Todaslasbandasestánfuertementeensanchadas,indicandolanaturalezaamorfadelas películas. Estosresultadosindicanquelaconfiguracióndelenlace(Si‐H)delmono‐hidrurodesilicio,es predominanteenlaspelículasa‐Si:Hdepositadasporelmétododelfilamentocaliente.ElSiH4 puedeserdescompuestoenSiatómicoyHatómicomuyefectivamentealatemperaturadel filamento1900±25ºC.Estosradicalessonradicalesprimariosdisponiblesparaelprocesode crecimientodelapelícula.Paraladeposicióndepelículasdea‐Si:HmedianteelmétodoHWCVD,seempleóbajapresióndedeposición20±1mtorryunadistanciade6cmentreel filamentoyelsustrato.Bajoestascondiciones,seesperaqueestosradicalesprimarios alcancenelsustratodirectamentesinningunareaccióngas.Asípueselcrecimientodea‐Si:H enelmétododelfilamentocalienteseesperaqueseadeSicalienteyespeciesdeH.Porlo tanto,sóloseesperaunaconfiguracióndeenlace(Si‐H)delmono‐hidrurodesilicio.Laausencia delabandadeabsorciónde2090cm‐1debidaaSi‐H2oSiH3enelespectroFTIRentodoel rangodetemperaturasdesustratoestudiadas,refuerzaesto. Seobservóqueelcontenidodehidrógenoenlazadoenlaspelículasestimadasdemétodos diferentes,esbastantediferente.Sinembargo,sehapublicadoqueelcaminomásadecuado paraestimarelcontenidodehidrógenoenlazado,eselpicoa~618cm‐1(rocking/wagging). Investigaciones recientes en células solares 53  Figura3.4.Variaciónenelcontenidototaldehidrógeno(CH)estimadousandolaintegradade laintensidaddelabandade~618cm‐1comofuncióndelatemperaturadesustrato(Tsub) Figura3.4muestralavariaciónenelcontenidototaldehidrógeno(CH)estimadousandola integradadelaintensidaddelabandade~618cm‐1comofuncióndelatemperaturade sustrato(Tsub).Esinteresantetomarnotadequeelcontenidototaldehidrógenoenlazadoen laspelículasseencontrósermenorque1at%entodoelrangodetemperaturasdesustrato estudiadas.Lareproducibilidaddelcontenidoenhidrógenodelaspelículasseconfirmó depositandopelículasbajolosmismosajustesdeparámetrostresveces.Losvaloresdel contenidoenhidrógenofueronlosmismosconunerror(±5%).Loserroreseneldiagramadela Figura3.4sederivandelasdiferenciasobtenidasenlasmedidasFTIRdelcontenidode hidrógeno,porrepeticióndeladeposicióndepelículasa‐Si:Hbajolosmismosajustesdelos parámetros.Sinembargo,laspelículasa‐Si:Hconunmuybajocontenidoenhidrógeno(0.07 at%)comoinformóMahanetal.nosepuedenreproducir.Secreequeelbajocontenidoen hidrógenoenlaspelículasa‐Si:Hdepositadasporelmétododelfilamentocalienteesdebidoa dosfactores,esdecir,altadensidaddehidrógenoatómicoduranteladeposiciónylaausencia debombardeoconionesdegranenergíadelasuperficiecreciente.UnamoléculadeSiH4 cuandosedescomponeenelfilamentocalienteproduce4átomosdeHyunodeSi.Por consiguiente,aunsindilucióndehidrógeno,unacantidadsignificantedeHatómicoestá presenteenlacámaradedeposición.Elhidrógenoatómicojuegaunpapelcrucialenel crecimientodea‐Si:Hmedianteelmétododelfilamentocaliente.Elfilamentocaliente termalizaestosátomosdehidrógeno.Lafraccióndeestosátomosdehidrógenocalientes colisionaranenlasuperficieencrecimientoconlasuficienteenergíaparasubstraerhidrógeno delasuperficiedecrecimientodelapelícula.Enconsecuencia,seevitaapropiadamentela generacióndeunsilanomayor,elcualconllevaaunamayorcantidaddehidrógenoenla superficieencrecimiento.Elhidrógenoatómicoestabilizalaestructuradelapelícula rompiendolosdébilesenlacesSi‐Siypromocionandounionescruzadas.Estopermitela deposicióndedispositivoa‐Si:Hdecalidadconbajocontenidodehidrógeno.Además,el calentamientolocaldelapelículaencrecimiento,debidoaradicalesprimarioscalientes Investigaciones recientes en células solares 54 evaporadosdelfilamentocaliente,causanlaevaporacióndehidrógenodelasuperficieen crecimiento.Sinembargo,latemperaturadetalescalentamientoslocalesnoseconoce todavía. 3.1.1.4.3.AnálisisdelaespectroscopíadeRaman LaespectroscopiadeRamanesunatécnicafotónicadealtaresoluciónqueproporcionaen pocossegundosinformaciónquímicayestructuraldecasicualquiermaterialocompuesto orgánicoy/oinorgánicopermitiendoasísuidentificación.Elanálisismedianteespectroscopía Ramansebasaenelexamendelaluzdispersadaporunmaterialalincidirsobreélunhazde luzmonocromático.Unapequeñaporcióndelaluzesdispersadainelásticamente experimentandoligeroscambiosdefrecuenciaquesoncaracterísticosdelmaterialanalizadoe independientesdelafrecuenciadelaluzincidente.Setratadeunatécnicadeanálisisquese realizadirectamentesobreelmaterialaanalizarsinnecesitarésteningúntipodepreparación especialyquenoconllevaningunaalteracióndelasuperficiesobrelaqueserealizaelanálisis, esdecir,esno‐destructiva. Conelfindeinvestigarelefectodetanbajocontenidodehidrógenoenelordenestructuralde laspelículasa‐Si:HsehaempleadolaespectroscopiadeRaman.  Figura3.5.EspectrodeRamandepelículasa‐Si:Hdepositadasenc‐Siadiferentes temperaturasdesustrato(Tsub)medianteelmétododelfilamentocaliente. LaFigura3.5muestraelespectrodeRamandepelículasa‐Si:Hdepositadasenc‐Siadiferentes temperaturasdesustrato(Tsub)medianteelmétododelfilamentocaliente.Labandaanchay lisanaturaldelmodotransversalóptico(TO)deRamanindicaquetodaslaspelículasson amorfas.OtroefectoapreciableeselaumentodeladispersiónRayleightconelaumentoenla temperaturadelsustrato,elcualseveenlasuperposiciónconlabandatransversalacústica (TA)posicionadacercade100‐150cm‐1.LavariacióndelaposicióndelpicoTO(ωTO),su Investigaciones recientes en células solares 55 anchuracompletaalamitaddelmáximo(ΓTo)yladesviacióndelángulodeunión(∆) determinadosporelmodelodecálculodeBeemanetal.sonrepresentadosenlaFigura3.6.  Figura3.6.VariacióndelaposicióndelpicoTO(ωTO),suanchuracompletaalamitaddel máximo(ΓTo)yladesviacióndelángulodeunión(∆)determinadosporelmodelodecálculode Beemanetal. ComosepuedeverenlaFigura3.6.a,elpicoTOselocalizaa470.0cm‐1paralapelícula preparadaaTsub=50ºC,cambiandoa480.5cm‐1paralapelículapreparadaaTsub=250ºCy posteriormentesesaturaa480.5cm‐1cuandoTsubseincrementaaunmása400ºC. Adicionalmente,sepuedeobservarenlaFigura3.6.bycquetantoΓToy∆disminuyenconun aumentodelatemperaturadelsustratohastaalrededorde250ºC,apartirdeesta temperaturaambascantidadesaumentan.LosmínimosdeΓ Toy∆son42cm‐1y7.00º, respectivamente.TodasestasvariacionesindicanqueTsub=250ºCesunatemperaturade sustratoóptimaparalasíntesisdepelículasdea‐Si:Hporelmétododelfilamentocalienteala cualeldesordenestructuralesmínimo.Sepiensaquelamovilidaddelosátomosañadidosyla desorcióndehidrógenojueganunpapelimportanteduranteelcrecimientodeestaspelículas. Secreequepordebajode250ºC,labajamovilidaddelosátomosañadidosalasuperficiees importante,mientrasqueporencimadeestatemperaturadesustratoempiezaasermás importantedebidoalaumentodeladesorcióndehidrógenoduranteelprocesodecrecimiento. Investigaciones recientes en células solares 56 Sehaobservadounaumentodeladesorcióndehidrógenoduranteelprocesodecrecimiento debidoaunaumentoenlatemperaturadesustratoparalaspelículasHW‐CVD.Duranteun pequeñorégimenalrededordeTsub=250ºC,lascondicionessontalesquelosbeneficiosylos perjuiciosdelaumentodelatemperaturadesustrato,resultanenunaestructuradelapelícula decalidaddedispositivo.Laconclusiónanteriorsevereforzadaporlavariaciónobservadaen laconductividadoscurayenlafotoconductividadenfuncióndelatemperaturadelsustrato paralaspelículasa‐Si:HcrecidasmedianteHW‐CVD(Figura3.8).LapelículadepositadaaTsub= 250ºCmuestralafoto‐sensibilidadmáximade~106debidoalmínimodesordenestructural. Másrecientemente,experimentosXRD(difracciónderayosX)realizadosporSahuetal.han mostradoqueelestrésinternodelosmaterialesHW‐CVDesmínimoparalaspelículas depositadasaTsub=250ºCdebidoalamejorestructuradelaspelículas.Además,losestudios entiemporealdeelipsometríaespectroscópicarevelaronquelasmejorespropiedadesde materialesseobtienencuandolaspelículasHW‐CVDa‐Si:HsondepositadasaTsub=250‐350 ºC.Desdequeω TO,Γ Toy∆serelacionanconeltrastornotopológicoenlapelícula,otras técnicascomolamicroscopíaelectrónicadetransmisión(TEM)ayudaranaaclararaúnmáslos cambiosestructuralesyseinformaráenlosfuturostrabajos.Esinteresanteobservarquelos valoresdeΓToy∆sonmenoresquelosobtenidosenlaspelículasa‐Si:Hdepositadasporel métododedeposicióndevaporquímicoporplasma(P‐CVD),enelmismorangode temperaturasdesustrato.Porlotanto,segúnlosugeridoporMahanysuscompañerosde trabajo,laspelículasHW‐CVDa‐Si:H,tienenotraestructuraderedSi‐Simejorencomparación conlaspelículasP‐CVDa‐Si:H. 3.1.1.4.4.Propiedadesópticas Labandaprohibidaóptica(Eopt)depelículasa‐Si:Hdepositadasporelmétododelfilamento calienteadiferentestemperaturasdesustrato(Tsub)semuestraenlaFigura3.7.Labanda prohibidaópticadisminuyecasilinealmenteconelaumentodetemperaturadesustrato. Disminuyede1,86a1,70eValaumentarlatemperaturadesustratode50a400ºC,típicade unapelículaa‐Si:H.EnlaspelículasP‐CVDa‐Si:H,labandaprohibidaópticadisminuyea1.5eV alreducirelcontenidodehidrógenoal2at%.Porotrolado,labandaprohibidaópticadelas películasHW‐CVDa‐Si:Hsiguesiendotanaltacomo1,70eVoinclusomuchomásaltacuando elcontenidodehidrógenoenlaspelículasesinferioral1at%.Porlotanto,sóloelnúmerode enlacesSi‐Hnopuedeexplicarlabandaprohibidaalta.Elaltovalordelabandaprohibida ópticaenpelículasHW‐CVDa‐Si:Hpuedeserdebidoalapresenciademicroporosenlas películas.LosespectrosRamandelaspelículasa‐Si:Hdepositadosadiferentestemperaturas desustrato,indicanclaramenteelaumentodeladispersióndeRayleighconelaumentode temperaturadelsustrato.Estacaracterísticasepuedeatribuiralaumentodelafracciónde huecosenlapelícula.Losmicroporosreducenladensidadefectivadelmaterialyaumentanel promediodeladistanciaSi‐Si.Estoreducelaabsorciónenlapelículaydesplazalacurvade transmisiónhaciaunamayorenergíafotónica.Estoproduceunamayorbandaprohibida óptica,lacualsecalculamediantelaextrapolacióndelacurvadeabsorciónenelejedela energía.Porlotanto,lapresenciademicroporosenlapelículaprevienequelabandaprohibida ópticareduzcasuvalorde1,70eV.Enelmétododelfilamentocaliente,elSiatómicoesunade lasprincipalesespeciesresponsablesdelcrecimientodepelículasa‐Si:Habajaspresiones.Se creequeelSiresultaráunmaterialricoenporosconungranfactordeestructura(R*).Los porossecreanenelmétododelfilamentocalienteenelcrecimientodelaspelículasa‐Si:H Investigaciones recientes en células solares 57 principalmenteporlapresenciadeefectosdesombreadoyalmismotiempoporlaausenciade bombardeodepartículascargadasloqueayudaaaumentarladensidaddelaspelículasporla compactacióninducidaporimpactoderesiduoscomolapilaUPSdebidoalosefectosde sombreado.Porotraparte,conelaumentodelatemperaturadelsustrato,lapasivacióndela superficieconhidrógenoduranteelcrecimientodisminuye.Estoaumentalaprobabilidadde formacióndeporosenlaspelículas.ExperimentosdedispersiónderayosXenángulopequeño (SAXS)calculadosporMahanetal.yexperimentosderesonanciamagnéticanuclearrealizados porWuetal.hanreveladoqueelmaterialobtenidoporHW‐CVDgeneralmente,tienemayor fraccióndeporosqueelmaterialobtenidoporP‐CVD.  Figura3.7."Bandgap"ópticoenfuncióndelatemperaturadesustratoparapelículasa‐Si:H depositadasmedianteHW‐CVD 3.1.1.4.5.Propiedadeseléctricas Laconductividadoscura(σdark)ylafoto‐conductividad(σphoto)sondospropiedadesoptoelectrónicasdelsiliciohidrogenado,dedifícilexplicación,porloquesepasaráporaltola misma. Lavariacióndelaconductividadoscura(σdark)ylafoto‐conductividad(σphoto)enfuncióndela temperaturadesustrato(Tsub)paralaspelículasHW‐CVDa‐Si:HsemuestraenlaFigura3.8 Comosepuedeobservarenlafigura,σdarkparalamayoríadelaspelículasseencuentraenel rango10‐10a10‐11Scm‐1.Estosvaloressoncomparablesconlosoptimizadosparalaspelículas P‐CVDa‐Si:H.Seobservaenlacurvadeσ photoquesuvaloresmáximo(~10‐5Scm‐1)parala películadepositadaaTsub=250ºCmientrasquedisminuyetantoparavaloresmásbajoscomo paravaloresmásaltosdetemperaturadesustrato.AbajaTsub(>200ºC),ladesviacióndel ángulodeenlaceesamplia,comosepuedeverenlaespectroscopiadeRaman(Fig.3.6).La densidaddelosdiferentesestados,loscualesresultandeladesviaciónenelángulodeenlacey sulongitud,enlasultimasbandas,estambiénamplia.Estosnivelesdeenergíalocalizados actúancomocentrosdecapturaeimpidenlafoto‐conductividad.CuandoTsubestáentre200y Investigaciones recientes en células solares 64 3.1.2.1.3.LacapadeCdS SepuedenobtenercélulassolaresdepelículadelgadadeltipoCdTe/CdSdealtosrendimientos conCdSpreparadomediante3técnicasdiferentesllamadasdeposiciónporbañoquímico, sublimaciónenespaciocerradoyRFsputtering.Seeligióestaúltimatécnicapuestoqueesla másadecuadaparaproducciónindustrial.Sinembargo,conelfindetenerpelículasdeCdS rociadoparaconseguircélulasdealtaeficiencia,estosehaceconalgodeflúor(F)enlacámara derociado.SeprepararonpelículasdeCdSdopadoconflúor,introduciendoenlacámarade rociadoArgónconuncontenidodel3%deCHF3.Estegassedescomponeenlacámarade rociado,siendonegativoesdirigidoalsustrato.Seesperabaqueelflúordisminuyala resistividaddelaspelículasdeCdS,peroestonosucede.PorotroladoCdSdopadodeflúor muestraunadistanciaprohibidaunpocomayorqueelCdSsindopar,unaemisiónde luminiscenciacatódicamásfuerte,unafotoconductividadmásfuerteyloqueesmás importante,dacélulassolaresconmayoreficiencia.Posiblemente,elflúorbombardeala películadeCdSdurantesucrecimiento,eliminandocualquierexcesodeCdySydaunapelícula másestequiométrica.Porotrolado,deberíaformarsealgodeCdF2,elcualdeberíapasivarlos límitesdegrano.CdSdopadoconflúorponedemanifiestosermásestableconrespectoala mezclaCdS‐CdTecuandolaestructuraCdTe/CdSestratadaa400ºCenpresenciadecloro. 3.1.2.1.4.LacapadeCdTe ElmétodomásadecuadoparadepositarCdTeessublimaciónenespaciocerrado(Fig.3.12), aunquelaelectrodeposicióntambiénhademostradoserunatécnicamuyadecuada.Sin embargo,CSSpermitemayoresrelacionesdedeposicióndelordendevariasmicrasporminuto yhasidousadaparalapreparacióndelascélulassolaresdeltipoCdTe/CdSconlasmayores eficiencias.Seusóunahendidurade60cmdelargoy2.5cmdeanchoyelvaporfue abastecidodesdearribatalcomoelsustratodevidrioesbiensostenidoenlosrodillos portadores.Estosehaceparaevitarqueelvidriosecurvea500ºC.Latemperaturatípicadel sustratoson500ºCyladistanciasustrato‐crisolson ≈ 5mm.Ladeposiciónsehaceen atmósferadeArgónconunapresiónde10‐1‐1mbar.Conunatemperaturadecrisolde700ºC, sepuedenobtenerratiosdedeposiciónentre1y4µm/min.  Figura3.12.EsquemadeladeposicióndeCdTemediantesublimaciónenespaciocerrado Investigaciones recientes en células solares 65 3.1.2.1.5.TratamientodelaestructuraCdTe/CdSenpresenciadeCl2 ParaconseguiraltaseficienciasesnecesarioeltratamientodelCdTeenpresenciadeCl2.Este tratamientogeneralmentesehacedepositandoCdCl2encimadelCdTemedianteevaporacióno medianteinmersióndelCdTeenunasolucióndeCdCl2‐metanolyconunposteriorrecocidoa 400ºCenaireoengasinertecomoelargón.Envistasaunaproducciónindustrial,seha encontradootrométodoparallevaracaboeltratamientodeCl2enelquenoseusaCdCl2. LaestructuradeCdTe/CdSserecueceenunamezclade100‐500mbardeAry20‐50mbarde ungasnotóxicoquecontieneCl2talcomodifluoroclorometano(HCF2Cl).Laduracióndel recocidofueron ≈ 5‐10mina400ºC.Despuésdeltratamiento,secambiacompletamentela morfologíadelCdTeconunaumentoentamaño(Fig.3.13).PuestoqueelHCF2Clse descomponea400ºCyelCdTeempiezaadescomponersealrededordelos400ºC,sesupone quesucedelasiguientereacción,especialmenteparalospequeñosgranosquesonlosprimeros endescomponerse: CdTe(sol)+2Cl2(gas)=>CdCl2(vap)+TeCl2(vap)=>2Cl2(gas)+CdTe(sol)  Figura3.13.AumentodetamañoenlamorfologíadelCdTedespuésdeltratamientode recocido DespuésdeltratamientodeCl2,lamuestrasemantieneenvaciounospocosminutosa400ºC paraevitarqueCdCl2seformeenlasuperficiedelCdTeporre‐evaporaciónyparateneruna superficiedeCdTelimpiaylistaparaelcontactotrasero. EltratamientodeCl2puedellevarseacaboconcualquiergasdelafamiliadelfreón.Elúnico requerimientoesqueelgascontengaCl.Estemétodoesmuyefectivoparaproducircélulasde altaeficiencia.EstoevitaelusodeCdCl2quepuedeserpeligrosoyencambioseusaungas estable,inerteynotóxicoatemperaturaambiente.Ademásseeliminaelpasodela evaporacióndelCdCl2yporelloesmuchomásapropiadoparaproducciónindustrial. SesabequeungasdelafamiliadelfreónconteniendoClespeligrosoparalacapadeozono. Sinembargo,enproducciónindustrialelfreónpuederecuperarsecompletamenteyyahay máquinasparaellodisponibles. 3.1.2.1.6.Elcontactotrasero ElcontactotraserodeunacélulasolardepelículadelgadadeltipoCdTe/CdSesunapartemuy importanteenlafabricacióndeldispositivo.Uncontactonoóhmicocausaunvuelcoenla Investigaciones recientes en células solares 66 curvaI‐Vcaracterística,loquedisminuyeelfactorderellenoy,enconsecuencia,laeficienciade lacélula.PuestoqueelCdTemuestraunagranafinidadelectrónica(χ),lamayoríadelos metalesformanlabarreradeSchottkyloquelimitaeltransportedehuecosenelCdTedetipop.ElmetalusadonormalmenteparahaceruncontactonorectificadoconelCdTeeselcobre. Sinembargo,antesdeladeposicióndelcobre,esnecesarioungrabadoquímicoparacrearuna superficiericaenTequereaccionaconelCu,formandoelcompuestoCuxTe(1≤x≤2).El contactoóhmiconosehacedirectamenteconCu,elcualsedifundefacilmenteenlamatrizde CdTe,peroconelcompuestoCuxTequeseformaenlasuperficiedelCdTe.CuxTeconx>1.4no esunmaterialestableyenconsecuencia,liberacobre,elcualsiendounrápidodifusor,penetra dentrodelamatrizdeCdTecausandodosinconvenientes:(1)segregaenlasfronterasdegrano formandoderivacióndecaminosy(2)llegadentrodelainterfaseCdTe/CdSyformaun profundonivelenCdSquecapturaelectrones,incrementandolaresistividaddelCdS.Puesto queCuesiónpositivo,sudifusióndentrodelaestructuraCdTe/CdSdependedelaconfluencia delcampointerno,asuvezdependedelhechodequelacélulaesestimuladaporunvoltajede polarizaciónexternooesiluminadaporunaomásfuentes.Ladegradacióndeldispositivose acelerasiescalentadaatemperaturassuperioresa60ºCosiesiluminadaporvariasfuentes. Cuandoseusacobreparahaceruncontactoóhmico,hayquesermuycuidadosoparaevitarla difusióndecobre.Porestarazón,FirstSolarusasolo2nmdeCusobrelasuperficiegrabadade CdTeparahacerelcontactotraseroensuscélulassolaresdepelículadelgadadeCdTe/CdS.En elpasado,paraevitarcualquierdegradación,noseutilizócobre,peroseusóunmaterialtipop,llamadoSb2Te3.Estecompuestomuestraunamuybajaresistividad,delordende10‐4Ωcm. Siestematerialesdepositadomediantesputteringaunatemperaturadesustratocercanaa los300ºC,puedehacerunbuencontactoconelCdTeypuededarcélulassolaresconuna eficienciacercanaal16%.Estetipodecontactohalogradosermuyestableauncuandoel dispositivoesiluminadopor10‐20fuentesyatemperaturassuperioresalos100ºC. Recientementesehadesarrolladounnovedosocontacto,elcualapesardecontenerCu, mantienelaestabilidaddeldispositivoynopresentaningúnvuelcoenlacurvaI‐V característica.ElnovedosocontactoestáconstituidoporunacapadeAs2Te3depositada directamenteenlasuperficieCdTesingrabadoquímico,seguidaporunacapafinadeCu depositadaenelAs2Te3aunatemperaturadesustratocercanaalos200ºC.ElCuesentonces cubiertopor150nmdeMo,quesecomportacomocontactotraseroexterno.As2Te3esun semiconductortipo‐pconunabandaprohibidasobre0.6eVymuestraunaresistividadde10‐3 Ω cmatemperaturaambiente.Sefundea360ºCypuedeevaporarseatemperaturas superioresa250ºCenvacio.Conelfindeconseguirunbuencontacto,setienenqueseguirlas siguientespautas:elespesordelAs2Te3sepuedevariarentre100y300nm,mientrasqueel espesordelCusepuedevariarentre2y20nm.As2Te3puedeserdepositadoaunatemperatura desustratoentretemperaturaambientey200ºC,mientrasqueelCutienequeserdepositado aunatemperaturadesustratoentre100y200ºC.Enexperimentos,tantoelAs2Te3yelCuson depositadosmediantesputtering,As2Te3conunratiodedeposiciónentre10y20A˚/syCucon unratiodedeposiciónde5A˚/s.SitantoelAs2Te3comoelCusondepositadosatemperatura ambiente,elcontactoesrectificadocomosepuedeverenlaFig.3.14,curva(a).Aquíel "vuelco"esclaramentevisibleenelprimercuadrantedelacurvaI‐Vcaracterística.SielCues depositadoaunatemperaturadesustratopróximaa200ºC,el"vuelco"desapareceyelfactor derellenoesmuchomayor(Fig.3.14,curva(b)).Conelfindecomprenderelfuncionamientode ladoblecapaAs2Te3+Cu,algunasmuestrassonpreparadaspordeposiciónAs2Te3+Cu Investigaciones recientes en células solares 67 directamenteenvidrioconCudepositadoaunatemperaturadesustratode200ºC.Además, algunasmuestrasfueronpreparadaspordeposicióndeunacapadeCusobreAs2Te3dehasta 20nmdeespesor,mientrasotrasmuestrasfueronpreparadaspordeposicióndeunacapade 50nmdeespesor.EntodosloscasoselespesordeAs2Te3fue200nm.Estasmuestrasse analizaronmedianteRayos‐XyfueroncomparadasconmuestrasquesóloconteníanAs2Te3. ComosepuedeverenFig.3.15y3.16,curvas(a)y(b),lasmuestrasquecontienenCuhasta20 nmmuestranvariasfasesdeCuxTecon1≤x≤1.4,mientrasquelasmuestrasquecontienen50 nmdeCumuestrantambiénlafasedeCu1.9Te.Loscontactostraserosdecélulassolaresde películadelgadadeltipoCdTe/CdSfabricadasusando50nmdeCuresultannosermuy estables,mientrasquelascélulasfabricadascon20nmdeCuomenosresultansermuy establesymáseficientes.EstoestáenconcordanciaconloreportadoporWuetal.,esdecir,las fasesdeCuxTeconx>1.4nosonestables.Unacaracterísticacélulasolardepelículadelgada deltipoCdTe/CdS,enlacualelcontactotraserosehayahechopordeposición, secuencialmente,aunatemperaturadesustratode200ºC,200nmdeAs2Te3y20nmdeCu,se muestraenlaFig.3.14,curva(b).SingrabadoquímicodelCdTe.Elfactorderellenodeesta célulaes0.7.Lacélulaesestableaúnsisesometeaunailuminaciónde10solesenmodode circuitoabiertoyaunatemperaturade100ºCdurante8horas.Conlafinalidadde comprendermáselcomportamientodeladoblepelículaAs2Te3+Cu,sehicieronalgunos experimentossustituyendoAs2Te3porSb2Te3.Enestecaso,sevariólatemperaturadelsustrato entre200y350ºCtantoparaelSb2Te3comoparaelCu.Entodaslascélulasterminadas,el contactotraseronofueestableaúnapesardequeelespesordelCusólofuede2nm.La eficienciadelacélulaesbastantealtaalprincipio,perodisminuyemuyrápido.Estosresultados puedenserexplicadosdelasiguientemanera.CuandoelCuesdepositadosobreAs2Te3auna temperaturasuficientementealta,200ºC,Cuproduceunareacciónenestadosólidoconel As2Te3enlacualelCusustituyealAsformandoCuxTe.Dependiendotantodelespesordel As2Te3comodelCu,sepuedenformarfasesdeCuxTeconx≤1.4ox≥1.4.Lafaseestableconx ≤1.4sepuedeformarusandounespesordeAs2Te3de200nmyunespesordeCude20nmo menosaunatemperaturadesustratopróximaalos200ºC.Estetipodereacciónnopuede sucederconelSb2Te3debidoaqueelSb2Te3esunmaterialmuchomásestablequeelAs2Te3. ConSb2Te3,elCucontinualibreydifundedentrodelaestructuraCdTe/CdSdañandolacélula. EstenovedosométododehacerelcontactotraserodeCdTeessimilar,enalgunosaspectos,al comunmenteusadoenelqueprimerosecreaunasuperficiericaenTemediantegrabado químicodelCdTeyentoncessedepositaunamuyfinacapadeCuconlafinalidaddeformarel CuxTeconx≤1.4.Sinembargo,unadiferenciasustancialsehallaenelhechodeque,en nuestrocaso,nosegrabaquímicamenteelCdTedebidoaquenosenecesitaunasuperficierica enTe(estaessustituidaporAs2Te3)ysepuedeusarunespesordeCu10vecesmayor.Esteda unaformaciónmenoscríticadelcontactonorectificadodandocélulassolaresdepelículafina deltipoCdTe/CdSconunabuenaestabilidad. Investigaciones recientes en células solares 68  Figura3.14.Puntosdeinflexióno"vuelcos"delacurvaI‐Vcaracterísticadelaspelículasde CdTeenlasquesehadepositadoCuaunatemperaturadesustratodiferente,paralacurvaa, Tsub=temperaturaambiente,paralacurvab,Tsub=200ºC.   Figura.3.15.yFigura3.16.CurvasaybtrasexposicióndeRayosX,depelículascondistinto contenidodeCu. 3.1.2.1.7.LacélulasolarCdTe/CdS SehapreparadounacélulasolardeltipoCdTe/CdSde1cm2,usandolascapasdescritasantes sobre1pulgada2devidriosódico‐cálcico.Estascélulasseprobaronusandounsimuladorsolar Oriel(conunacéluladeSicalibradadereferencia)bajounAM1.5,100W/cm2luzsolar simulada.Unrangodevoltajesdecircuitoabiertoentre840y870mV,corrientedecorto circuitoentre24y27mA/cm2yelfactorderellenoentre0.6y0.72.Lamayoreficiencia conseguidafue15.8%.LacurvaI‐VcaracterísticadelacélulasemuestraenlaFigura3.17.Las Investigaciones recientes en células solares 69 pruebasdeestabilidadsehanllevadoacabo,dejandolascélulasvariashorasbajo10omás solesatemperaturasmayoresde100ºCynoseobservóningunadegradación.Enalgunos casos,seobtuvounincrementoenelvoltajedecircuitoabierto.  Figura3.17.CurvaI‐VcaracterísticaparaunacélulasolardeltipoCd/CdSde1cm2,usandolas capasCdTeyCdSdescritasantes. 3.1.2.1.8.Elprocesodefabricaciónenlínea. Elprocesoenlíneajuntoconelperfildetemperaturasemuestraenlafigura8.Seusaráun vidrioconuntamañode0.6x1.2m2.Elprocesosedivideen3secciones.  Investigaciones recientes en células solares 70  Figura3.18.EsquemadelprocesodefabricaciónenlíneadecélulasdeltipoCdTe/CdS 3.1.3.Opción3:CélulassolaresdeCobreIndioGalioyDiselenuro(CdS/Cu(In,Ga)Se2(CdS /CIGS) Esunadelastecnologíasdepelículadelgadaothin‐film,conmayorpotencialdebidoasualta eficienciaybajocoste. LascélulasCIGSofrecenun“bandgap”variabledependiendodelacomposicióndeIn‐Gapara maximizarlaabsorcióndelespectrosolar.Elbandgapvaríadesde1,02eVa1,68eV.Las célulasCIGSofrecenelmayorcoeficientedeabsorcióndentrodelatecnologíapelículadelgada, loquepermitequealrededordel99%delosfotonesseanabsorbidosporlosprimeros micrómetrosdelmaterial. Unacéluladesilicioconvencionalestáformadoporunacapadecontactodemolibdeno, mientrasqueelCIGS,porunafinadeCdSoZnSyunabicapadealuminioyóxidodezinccomo TCO.  Investigaciones recientes en células solares 71 Ventajas:Reduccióndecostesenmateriales. Desventajas:Métododefabricacióncomplicadoyconnecesidaddeinversiónimportante.Otro problemaqueseplanteaconestatecnologíaesladisponibilidaddematerialesylatoxicidadde lacapaCdS.  Figura3.19.EsquemadeunacélulatípicadeCobreIndioGalioDiselenuro(CIGS) 3.1.3.1.Resultadosrecientes(CdS/CuIn1‐xGaxSe2) Tabla3.2.Compilacióndelosresultadosrecientesdecélulasdepelículadelgadadeltipo CdS/CuInxGa1‐xSe2  LaTabla3.2muestraunacompilacióndelosresultadosrecientesdecélulasdepelículadelgada deltipoCdS/CuInxGa1‐xSe2.Algunosautoresseñalanqueestossistemasmaterialescomolas célulasdeóxidodeindioyestaño(ITO)/CdS/CuIn1‐xGaxSe2conCdS,denotadascomocapade amortiguación,perolanomenclaturamáscomúnescomoseespecificaaquíconITO, Investigaciones recientes en células solares 72 denotadascomocapadeventana,amenudonosemencionanenladesignacióndecélulas. ValelapenaobservarenlaTabla3.2queunaentrada,ladelInstitutodeTecnologíadeTokio, tieneIn‐Se,enformadeunacapadeamortiguación,sinembargo,sinpresenciadelCd. TambiénlasentradasdeNRELsondignasdemenciónespecial.Elrécorddeeficienciaparauna céluladepequeñolaboratorio,seacercaal18%,esunresultadonotable.Estaeficienciadel 13,6%paraelNRELelectro‐depositadoprecursordeCIGStambiénesimportante,yaquela electrodeposiciónrepresentaunagranpromesaparaladeposicióndegransuperficie.Esta entradaparticular,correspondeaunprocesohíbridoenelqueIn,GaySehansidoañadidos posteriormentemedianteunprocesodedeposiciónalvacíoalelectro‐depositadoprecursor. Unaentradaquecorrespondeaunmódulomulti‐céluladeáreapequeñade15cm2dela empresa(NordicSolar)tambiénsehaincluidoenlaTabla1.Unagranvariedaddetécnicasde deposiciónseutilizaronparalafabricacióndecélulascorrespondientesalasentradasenla Tabla3.2.AlgunasceldastienencontenidouniformedeGa,otrasno. Tabla3.3.Versiónactualizadaquemuestralosúltimosresultadospublicadosdelosmódulos/ submódulosquevanenlazonade40a3.830cm2  LaTabla3.3esunaversiónactualizadadeloreportadoporK.Zweibeletal.ymuestralos últimosresultadospublicadosdelosmódulos/submódulosquevanenlazonade40a3.830 cm2.Deespecialinteréseseláreadeaperturadelaeficienciadel11,2%delmódulode3830 SiemensSolarqueentregó43,1W. 3.1.3.2.ProblemasdefabricacióndeCIGS Sepuedeobtenerunagrancantidaddeinformaciónsobrefabricacióndelosexperimentosde pequeñaáreaaescaladelaboratorio.Elfabricantepotencialdebe,porsupuesto,estar informadodelagranvariedaddetécnicasdefabricación(devacíoynovacío)quepueden produciraltosrendimientosdelacélula.Larelativainsensibilidaddelosparámetrosdeceldaa unavariacióndel10%delcontenidodeGahamotivadomásaúnaI+Dorientadasa dispositivosdegransuperficie.LareduccióndelosrequisitosdecontroldeGadeberíamejorar lafabricación.EldesarrollodecélulaspequeñasdealtaeficienciatantolascélulasdeGa escaladocomolascélulasnoescaladasdeGaesotroindicadordelafacilidaddefabricación. Sinembargo,esnecesarioabordaralgunascuestiones.Lamenorresistenciadeláminadela capaventanadeZnOessobre10Ω/cuadradodelatransparenciarelativadelascapas.Esto ponerestriccioneseneldesarrollodelmódulo,debidoaltrazadodelasinterconexiones,y producedispositivosdemayorvoltajequeeldeseable.Unasoluciónesdesarrollarcélulascon Investigaciones recientes en células solares 73 unmayorcontenidodeGaycorrespondientemente"bandgap"másaltas,peroestonoseha hechoconéxitohastalafecha. OtrostemasqueseabordanactualmenteincluyenlanecesidaddedifusióndeNaapartirdel vidriosódico‐cálcicoatravésdelcontactotraserodeMoylacorrespondienteoptimizacióndel espesordelMo.ElcostoyladisponibilidaddeInyGaparaeldespliegueagranescalapuede sertambiénuntemarelevante.                        Investigaciones recientes en células solares 80 vinculado.Estehallazgoseencontrabaenbuenacuerdoconqueundesplazamientodelnivel inferiorLUMOcorrespondeaunadiferenciaenergéticaentrebandasdeP3HTmenor. TambiénseencontróquelosrendimientosdecélulassolaresdeP3HT:PCBMsevieron afectadosporlospesosmoleculares,polidispersidad,regioquímica,solventesmezcladossin tratamientotérmico,laaplicacióndeuncampoeléctricoexterno,solventeapropiado,el tratamientocondisolventedevapor,laadicióndeaditivoscomoácidooleico.Todosestos resultadosindicaronqueeramuycomplejocontrolarlamorfologíadelapelícula. Enconclusión,losdispositivosdeP3HT:PCBMseinvestigaronbien.QuedoclaroqueP3HT: PCBMnoeraunsistemaadecuadoparaaproximarsealaltorendimientodebidoaquela diferenciaenergéticaentrebandasdeP3HT(1.85eV)esdemasiadogrande.Estadiferencia energéticaentrebandassólocoincideconel46%delespectrodelaradiaciónsolar.Suponiendo queelEQEdeldispositivodeP3HT:PCBMesde100%ysumáximoJSCesde18.7mAcm‐2,FFes del65%,Vocesde0,6V,elPCEmáximoproyectadoesde7,2%Estevalorestámuypordebajo delPCEobjetivo. 4.2.3.Desarrollosrecientes Eldesarrollodecélulasfotovoltaicasdepolímeroesmuyrápido.Seinformórecientementedel PCEde6%apartirdeunasolacapadecélulassolaresdepolímerosactivos.Tabla4.1resume lasmejoresrepresentacionesdecélulasfotovoltaicasdepolímero.Lascélulassolaresde polímeros‐fullerenohanaumentadosignificativamentesurendimiento. Tabla4.1.Resumendelosúltimosdesarrollosencélulassolaresdepolímeros. 4.3.Posiblesrutasparamejorarelrendimiento 4.3.1.Mejorandolaabsorción Unodelosparámetroslimitadosencélulasfotovoltaicasdepolímerofuelamalaabsorción. Losmaterialesconunagrandiferenciaenergéticaentrebandasposeenunafaltade coincidenciaconelespectrosolarterrestre.Porejemplo,poli(p‐fenilenovinilenos)(PPVs)y politiofenos,susdiferenciasenergéticasentrebandasson~1,85y2,2eV.Ladiferencia energéticaentrebandasde1,85eV(elbordeabsorbenteestabaen670nm)sólopermitela recogidadeun46%delosfotones.Unadiferenciaenergéticaentrebandasde1.1eV(Si) permitíaquemásdel90%delosfotonesserecogieran.Semuestralapérdidaópticadebidaa ladesigualdadentreel"bandgap"delpolímeroyelespectrosolarenlaFigura.4.3. Investigaciones recientes en células solares 81  Figura4.3.Pérdidaópticadebidaaladesigualdadentreel"bandgap"delpolímeroyel espectrosolar ConelfindesuperarelPCEmásdel10%apartirdeunasolacapadecélulassolaresde polímeros,ladiferenciaenergéticaentrebandasdelospolímerosdonantesdebeser~1.7eVy elLUMOdeestepolímerosdonantedebeser~‐3.9eVsiPCBMseutilizacomoaceptorde electrones.Ladiscusióndelaalineacióndebandasendetalleseresumeenlaliteratura.Los enfoquesactualesmásnovedosospararealizarestospolímerosdonantesdebajadiferencia energéticaentrebandassebasanenestructurasdemoléculasdador‐aceptor.Laestrategia paralasíntesisdeestospolímerosesamenudolaseleccióndeunidadesdedonantesconalto potencialdeionizaciónyunidadesconreceptoresdealtaafinidadelectrónica.Los acontecimientosrecientesenmaterialesorgánicosparaaplicacionesfotovoltaicasseresumen enlaliteratura. Otroenfoquepararealizarsistemasdemezcladepolímerosquecubranunaampliaregiónde absorciónestenernuevosreceptoresdeelectronescuyaabsorcióncubrieseunaampliaregión. PC71BM[59]yPC85BMsegúnlosinformes,tienenunamejorabsorciónenlaregiónvisible,pero tienenpeormiscibilidadconlospolímerosdonantes.Fulerenosderivadosendohedral fullerenos,Lu3N@C80‐PCBMseprevéquetenganmayorPCEquelascélulassolaresde P3HT:Lu3N@C80‐PCBMporqueLu3N@C80‐PCBMtienecaracterísticassimilaresensolubilidady miscibilidadcomoPC60BM,peromásnegativoLUMOqueeldePC60BM.Unnuevoreceptorde electrones(99'BF)quedaunatensiónencircuitoabiertode1.20Vapartirdecélulas fotovoltaicasdepolímerorealizadaspormezcladeP3HTcon99'BFestábajoinvestigaciónen laUniversidaddeCaliforniaenSantaBárbara. Elaumentodelamiscibilidaddelacomposicióndelreceptordeelectrones,disminuyendola proporcióndedonantedeelectronesyreceptordeelectrones,puedemejorarladensidad óptica.Nano‐materialesinorgánicoscongranmovilidadyunamejorabsorciónqueelfulereno esotrabuenaalternativa.Peroelinconvenienteeralafotocorrientequetienequetransportar atravésdelsurfactantequerecubrelasuperficiedelasnano‐partículas,resultandoenun Investigaciones recientes en células solares 82 limitadotransportedelacorrientefoto‐inducidadelamezcladepolímeroconnano‐partículas semiconductoresinorgánicos.Sinembargo,elsurfactanteesciertamentenecesarioparala dispersióndelasnano‐partículasendisolventesorgánicos,dandounapelículafinayuniforme delasoluciónquecontieneelpolímerosemiconductorylasnano‐partículasinorgánicas. Laintroduccióndeunespaciadorópticoenlosdispositivosesotrométodoparaaumentarel grosortotaldelacapaactiva.Elgruesodeldispositivoconunseparadorópticonoessuficiente paraatrapartodoslosfotonesincidentes.Sinembargo,laintensidaddelaluzenelinteriordel dispositivofueredistribuidaespacialmentedebidoalefectodeinterferenciaóptica.Unamejor distribucióndelaintensidaddeluzformadaporelespaciadorópticodarácomoresultadoun altorendimientodecélulasfotovoltaicasdepolímero.EnlaTabla4.2seresumenlos rendimientosdecélulasfotovoltaicasdepolímeroconunseparadoróptico. Tabla4.2.Rendimientosdecélulasfotovoltaicasdepolímeroconseparadoróptico  ElseparadorópticonosiempretraeunamejoraobservableenelPCE.Lamejoraenel separadorópticoesmáspequeñadeloqueesperábamos.Dadoladebilidaddeltransporte eléctricoylapobreacumulacióntransportadora,lacontribucióndelaabsorciónporel separadorópticosereducirá.Además,unasuperficierugosadelacapaactivasereducirápor unseparadoróptico. Seseñalóqueelespesordelacapaactivaeslimitadodebidoalabajamovilidad transportadoradelospolímerossemiconductores.Comoresultado,elcoeficientedeabsorción ópticadepolímerossemiconductoresnoeslosuficientementegrandeyunagrancantidadde flujodefotonesseperdió. Lasmayorespérdidasencélulasfotovoltaicasdepolímerosonlatransmisióndelsub‐band‐gap ylatermalizacióndelosportadoresdecargaencaliente.Laarquitecturadetándempuede eludirporencimalosefectosdeformasimultánea.ElVocserálasumadelascélulas individualesyelFFseráadecuadamentedescargadoconelaumentodeespesordelos dispositivos.Lascélulassuperioresconbajadiferenciadeenergíaentrebandasylascélulasdel fondocongrandesdiferenciasdeenergíaentrebandasestánenserieenlainterfaseconuna funciónderecombinacióncentral.Elpromediodedensidadópticaaumentaráamedidaquelas célulasentándemrecojanunaampliafraccióndelespectrodeemisiónsolar.Lascélulas Orgánicastándemfueronfabricadosenprimerlugar,pormoléculasorgánicaspequeñas.El procesodeevaporaciónesunamanerafácildefabricarlaestructurademúltiplescapascon unainterfaseclaraentrelascapas,perolalimitaciónesqueserámuycaroparaeltamaño grandeporelenormecostoenlafabricacióndesistemasgrandesdesedimentación.Elusode Investigaciones recientes en células solares 83 solventesortogonalesesunodelosenfoquespararealizarlaestructurademúltiplescapaspor latransformacióndeunasolución,peroesdifícilconseguirunainterfasefuerte.Krebsconsus colegashanutilizadomaterialesconpropiedadestermo‐inteligentesparalafabricaciónde célulastándemporelprocesodesolución.Despuésdeltratamientotérmico,lapelícula procesadaporcentrifugadodecapasapartirdelassolucionescorrespondientesseconvertirá eninsolubleparaeldisolventeutilizadoparalascapasquesiguenaltratamientodeldispositivo expuestolaestabilidadoperativaelairesinningúntipodeencapsulación.Gilotysuscolegas informanenprimerlugardequetodalasoluciónprocesadaocupalasheterounionesdelas célulastandem.LacapaintermediasecombinóconunailuminacióndeUVtratadoscon nanopartículasdeZnOconPEDOTPHneutro.Vocdeunacéluladetripleuniónsolarllegóa2,19 V,quecorrespondealasumadelCOVdelascélulasindividualessimples.Lamejorsolución totalalosdispositivosentándemprocesadosfueregistradaporKinetal..Laclaveparala fabricacióndelascélulastándemesoptimizarlacapaintermedia.Untipodecapaintermedia eraunainterfasedematerialdetipopymaterialdetipon,talescomoZnO/PEDOTy SnCl2Pc/F16CuPc.UsandoSnCl2Pc/F16CuPccomounidadrecombinadaseobservómásdel60% deaumentoenelPCE.Seencontróqueeltunelamientoteníalugarenlainterfase SnCl2Pc/F16CuPc,proporcionandouncentrodecombinacióneficazparaelectronesyhuecos. Lasunionestúnelpordopajehabíansidoampliamenteaplicadoenlascélulastándem inorgánicasdebidoasubajaresistencia.Au,Ag,demúltiplescapascomoLiF/Al/Au/PEDOT: PSS,ITO/PEDOT:PSS,Al/MoO3yTiOx/PEDOT:PSSseutilizaroncomointercapasparala realizacióndecélulassolarestándem.Losmecanismosdefuncionamientodeestasdiferentes capasintermediastodavíanosehanentendidototalmente. ConelfindelograrunPCEdel15%,elmejorenfoqueesprobablementeatravésdela optimizacióndelascélulassolaresentándem.Ademásparahacerintercapasfuncionales,el encuentrodelosdonantesyreceptoresdeelectronesconlosespectrosdeabsorción complementarios,diferenciasenergéticasentrebandasyEQEsedeberíantenerencuenta. Excelentesrevisionessellevaronacaboenlosdispositivosfísicosyeldesarrollodelasituación delascélulassolaresorgánicastándem.Tvingstedtconloscolegastienenpresenteuna interesantearquitecturadedispositivo.Doscélulasespectralmentediferentesunafrenteala otraenunángulodeterminado.Laluzincidenteesatrapadayelespectrodeabsorciónde todaslascélulasesampliado.ElPCEsevereforzadoporunfactorde1,8±0,3. 4.3.2.Mejorarlatensiónencircuitoabierto ElvalordeVocestálimitadoprincipalmenteporlasustraccióndelLUMOdelaceptorde electronesyelHOMOdeldonantedeelectronescomosedescribeanteriormente.Almismo tiempotambiénesinfluenciadaporloscontactosentrelacapaactivaconloselectrodosyla morfologíadelacapaactiva.Enlatabla4.3aybseresumeelrendimientodecélulas fotovoltaicasdepolímeroconcapasdeamortiguación.    Investigaciones recientes en células solares 84 Tabla4.3.a.Rendimientodecélulasfotovoltaicasdepolímeroconcapasdeamortiguación.  Tabla4.3.b.Rendimientodecélulasfotovoltaicasdepolímeroconcapasdeamortiguación.  PEDOT:PSSfueunadelascapasderellenomásutilizados.PEDOT:PSSfueestudiado conversionalmenteendiodosdepolímerosemisoresdeluz(PLED).Paralascélulassolaresde polímeros,lainvestigaciónsecentróenlamejoradelaconductividadeléctricadelPEDOT:PSS. Seencontróquelaconductividad,lamorfologíaylaproductividaddelosPEDOT:PSSfueron influenciadosporeltratamientodedeposiciónposterior.Eltratamientodealtatemperaturade PEDOT:PSSpuedecambiarlaestructuraparacristalinaqueeraconsistenteconlaslaminillas molecularesdePEDOTyPSS.Laeficaciadelainyecciónparaloscontactosmacroscópicosde lassuperficiesdePEDOT:PSSsepuedemejorarmedianteelcontroldelaorientaciónlaminar enlainterfasepolímero‐metal.DopajePEDOT:PSScondiferentescomponentes,talescomoel sorbitol,glicerol,manitolpuedecontrolarlaconductividadyelrendimientodePEDOT:PSS. TambiénseconstatóquelaconformacióndelascadenasdePEDOTenlapelículacambió cuandoeletilenglicol,elmeso‐eritritoly2‐nitroetanolfuerondopadosenPEDOT:PSS.Como Investigaciones recientes en células solares 85 resultado,laconductividaddePEDOT:PSSfuemayor.MediantedopajedeglicerolenPEDOT: PSS,seobservóqueaumentahastacienveceslaconductividadydisminuyeelrendimiento,en comparaciónconlaspelículassindopar. LiFfueotrodelosrellenosdecapasmásutilizados.Sinembargo,elmecanismooperativodeLiF todavíaestabaendebate.Laformacióndeunaunióntúnelparaaumentarelpotencial intrínseco,unacapadedipoloentrelascaras(unospocosnanómetros)paracambiarlos rendimientosdelelectrodoydelLiFdisociado(sub‐nanómetro)dopadoensemiconductores orgánicosfueronpropuestoscomomecanismosdefuncionamiento. Usandounacapaintermediadepentacenodelgada(~10nm)eneldispositivodeP3HT:PCBM, Kimetal.encontraronqueelVocseincrementóa0.73V.Elmejorrendimientoseobservódesde eldispositivoconunacapaintermediade1nmdeespesorenlugarde10nm,pero0,73Ves unagrantensiónencircuitoabiertoobservadadesdelascélulassolaresdeP3HT:PCBM. Enconclusión,unacapatampóndeunospocosnanómetrosdeespesornosóloamplíaelVoc, sinoquetambiénactúacomounacapademaderaparaevitarlareacciónentreloselectrodos conlacapaactiva.Sinembargo,lafuncionalidaddelascapastampónvaríacondiferentes materiales. 4.3.3.Haciaunamorfologíacontrolable Comosedescribeenloanterior,laeficienciaeneltransportedecargaηtrsevemuyafectada porlamorfologíadelacapafotoactiva.Lamorfologíaadecuadanosóloproporcionauna interfasesuficientecongranfuerzaindependienteparaladisociacióndelexcitón,sinoque tambiénlacontinuidadyunacorrectainterpenetracióndelasredesparauntransporte efectivodeloselectronesylosagujeros.Lacondiciónpreviaparaconseguirlamorfología optimizadaeslabuenamiscibilidaddelosdosmateriales,queeselcarácterinherentedela materiaytambiéndependedelsolvente. Lamorfologíadepolímerosfulerenohasidoinvestigadadurantemuchotiempo.Muchos artículosderevisiónhanhechounapresentaciónclaradelaformacióndelamorfologíayla evolución.Janssenetal.haseñaladoquetantolanaturalezacristalinamejoradadelas películascomolaincrementadaperocontroladadesmezclaentrelosdoscomponentesdespués delrecocidoeslarazóndelaumentodelPCEobservadoenlosdispositivosP3HT:PCBM. Unmétodoampliamenteutilizadoparacontrolarlamorfologíaesañadiraditivosde procesamiento.Leeetal.sugierequehaydoscriteriosparalosaditivosdeprocesamiento:(i)la solubilidadselectivadeloscomponentesfullerenoy(ii)elpuntodeebulliciónmásaltoqueel deacogidadeldisolvente.Utilizandoestoscriterios,sepuedeobtenerunamejorredde interpenetración.Fig.4.4muestraunarepresentaciónesquemáticadelafuncióndeladitivode procesoenelauto‐ensamblajedelahetero‐unióndelamezcladematerialesagranel.Ensu artículo,seargumentóquetresfasesdistintasseformanduranteelprocesodeseparaciónde faseslíquido‐líquidoysecado:unafasedefullereno‐alkanedithiol,unafasedepolímero agregadoyunafasedepolímerosfullereno.Eladitivoconelpuntodeebulliciónmásaltoque eldeacogidaqueelclorobencenodisolventeseguirásiendoelPCBMenlasoluciónyaqueel polímerosemiconductor.Porlotantopermitenelcontroldelaseparacióndefases. Investigaciones recientes en células solares 86  Figura4.4.Representaciónesquemáticadelafuncióndeladitivodeprocesoenelautoensamblajedelahetero‐unióndelamezcladematerialesagranel EnelsistemaP3HT:PCBM,unmodelopropuestoparalasegregacióndelosprocesosde revestimientoparaelqueYangconsuscolegashansugerido:enprimerlugar,loscompuestos quetienenunamenorpresióndevaporqueladelprincipaldisolventeatemperaturaambiente, quecorrespondeaunaltopuntodeebullición,ensegundolugar,elcompuestodebetener menorsolubilidaddePCBMqueeldisolvente,entercerlugar,elcompuestodebesermiscible coneldisolvente.TodosestospuntosfueroncontrovertidosconloshallazgosdeLee. 4.3.4.Nuevasestructurasdedispositivos SehademostradoquelacapaácidadePEDOT:PSSeraperjudicialparalacapadepolímero activo,yelbajorendimientodelcátododemetalerafácilmenteoxidadoenelaire,inclusocon unadelicadaencapsulación.Lascélulassolaresdepolímerosconunaestructurainvertidase descubrieronparasuperarlaescasez.Tabla4.4seresumeelrendimientodecélulas fotovoltaicasdepolímeroconunaestructurainvertida.Medianteelusodecapasinterfásicas decarbonatodecesio,encimadeITO,Liaoysuscolegashanlogradoun4,2%dePCEapartir decélulassolaresdeP3HT:PCBM.Sinembargo,elPCEdelamayoríadelascélulassolaresde P3HT:PCBMconunaestructurainvertida,comosemuestraenlaTabla4.4eradel~50%delos valores(~5%dePCE)delascélulassolaresdeP3HT:PCBMconunaestructuranormal.      Investigaciones recientes en células solares 87 Tabla4.4.Rendimientodecélulasfotovoltaicasdepolímeroconunaestructurainvertida  Conelfindeoptimizarelrendimientodecélulasfotovoltaicasdepolímero,sepropusouna estructuradeldispositivoidealbasadaenunahetero‐uniónmasivadecélulassolaresde polímeros.Laestructurademicroescalaidealdecélulassolaresdepolímerossemuestraenla Figura.4.5.Enestaestructura,lasnanoestructuradasfasestiponytipopconunespacio cercanoalalongituddedifusiónexcitón(5‐20nm)facilitaríaunaseparacióneficazdelas cargas.Lacirculacióninterdigitalizadayfiltradapuedeasegurarellibretransportede portadoresdecargaaloselectrodos.Sinembargo,talesnanoestructurasbienorganizadasno sonfacilesdeobtenerenlamezcladelpolímeroclásica,debidoalanaturalezadesordenada delospolímeros.Günesharesumidolasestrategiasutilizadasenlaactualidadparala realizacióndeestaestructura.  Figura4.5.Estructurademicroescalaidealdecélulassolaresdepolímeros Takanezawaetal.expusounaestructuradelacélulainvertidaporlaintroduccióndeunacapa deZnOnanovarillasentreelelectrododeITOylacapaactiva.Laestructuraesquemáticadel dispositivoylaimagendelaseccióncortadadelasnanovarillasdeZnOsemuestranenla Figura.4.6SeencontróqueFFaumentónotablementedesdeel50%a65%,juntoconun pequeñocambioenlaJscyVoc.LasnanovarillasdeZnOfuncionancomorecolectoresde electronesporelacortamientodeladistanciamediadedifusiónelectrónicaenlaredPCBMen lagrancantidaddehetero‐uniones.LasnanovarillasdeZnOtambiénfuncionancomorutasde accesodirectoparaeltransportedecargaalelectrodoITO,dandolugaraunarecombinación decargadisminuida.Porlotanto,seobservóunFFmásgrande. Investigaciones recientes en células solares 88 Fig.4.6.Estructuraesquemáticadeldispositivoylaimagendelaseccióncortadadelas nanovarillasdeZnO Lasustitucióndemagnesioenunreceptordeóxidodezinc(Zn1‐xMgxO)dacomoresultadoun métodosencilloparaajustarsistemáticamentelabandadedesplazamientoenunóxidode metal‐polímerop‐conjugadossistemahíbridodonante‐aceptorconelfindemaximizarelVoc. OlsonysuscolegashanencontradoquelaVOCseincrementóde500mVenx=0hastavalores superioresa900mVenx=0.35.Sutrabajoproporcionaunaherramientaparaentenderel papeldeldesplazamientodebandadelosdonantes‐receptoresenhíbridosfotovoltaicos. Elrendimientodeestasmatricesdenanovarillas(ollamadasestructurasporosas)estálimitado porlapobreinfiltracióndepolímeroenlosporosdeóxidodemetalcondimensiones nanoestructuradascontrolables.Elprocesodelpolímerotieneunainfluenciasignificativaenla condicióndeinfiltración.Usandodiclorobencenoenlugardecloroformoseconseguiráuna mayorinfiltraciónqueaumentaeltamañodelporoyelordenverticalpermitiendoalpolímero tenerunespaciointegradoampliado,mejorandoelfactorderelleno.Lamorfologíadelas nanoestructurasdeZnOenelnanocompuestotieneunimpactodirectosobreelrendimiento deldispositivo.Seregistróunaumentodevoltajeencircuitoabierto,sacrificandolacorriente decortocircuitoapartirdeZnOtratadosconagentestensoactivos.Sinembargo,huboun pequeñoaumentoenlaeficienciaglobaldeldispositivo. 4.3.5.Laestabilidaddelascélulassolaresdepolímeros MientrasqueelPCEdelaPVC(célulasfotovoltaicasconvencionales)semejorapasoapaso,la solicituddecomercializacióndecélulasfotovoltaicasorgánicas(OPVs)haobligadoalos científicosahacerfrentealaestabilidaddelaOPVs.Igualqueotrosdispositivosorgánicos,los OPVssinencapsulacióntienenvidasmuycortas,quevandesdeunospocosminutoshasta variosdías. ElmecanismodeladegradacióndelaOPVatravésdediferentesvíasfueinvestigadopor Jørgensenetal..Fig.4.7muestralosprocesosdedegradación.Losmaterialesorgánicosy metálicosutilizadoscomoloselectrodosreaccionanconeloxígenoyelaguaquesedifunden desdelosdoselectrodosolateralesdeldispositivo,secreequeeslarazónprincipalquecausa lacortavidadelosOPVs. Investigaciones recientes en células solares 89  Figura4.7.Procesodedegradacióndeunacélulafotovoltaicaorgánica Usandoelmétododeanálisisdesuperficies(TOF‐SIMS)duranteelcuallasuperficiees bombardeadaconunaradiaciónpulsadadeiones,Krebsconsuscolegashandemostradoque eloxígenosedifundeenelelectrododeAluminioatravésdelosgranosdeAlyagujeros microscópicosenlapelículadeAl.Unavezdentrodeldispositivo,eloxígenocontinua difundiéndoseenelplanolateralyverticalhastaalcanzarelcontraelectrodo.Otravíade degradaciónimportanteresultóserladifusióndelosmaterialesdelelectrodoenlos dispositivos.Ladegradaciónsedebetambiénalcambiodelainterfasedelosdispositivos. KrebsyNorrmanobservóqueelIndiosedifundióenlacapaenunOPVconunaestructurade Al/C60/P3CT/ITO,dondeP3CTeselpoli(3‐carboxitio‐feno‐co‐tiofeno).Kawanoetal.también encontróquelaresistenciadelaITOfuemayordebidoaquelacapahigroscópicaPEDOT:PSS absorbelahumedaddelaatmósferaambiente. Materialestermo‐inteligentesseutilizanparafabricarcélulassolaresestablesalaire.Lacapa activaestáformadapormaterialesconcadenaslateralestermo‐inteligentes,eltratamiento térmicoconvierteestosmaterialessolublesenpelículassólidasinsolubles.Secreíaquela películaformadaporestosmaterialestermo‐inteligentesesmásestablequeotrospolímeros comunes.Krebsetal.hanconstatadounagrancantidaddehetero‐unionesenlascélulas solaresdepolímerofabricadasconmaterialestermo‐inteligentes.Alprincipio,poli‐(3‐(2‐ metilhex‐2‐il)‐oxi‐carbonilditiofeno)(P3MHOCT)semezclóconPCBMydepuesconcapas centrifugadasrecubriendolapartesuperiordePEDOT:PSSquefuecubiertoenlasuperficiede lossustratosdevidriodeITO.Lacapadepelículadelgadafueacontinuación,recocidaaaltas temperaturashasta250ºCdurante10segundos.Unagransuperficiedeldispositivogeneraun PCEde1.5%conunlargotiempodeoperaciónestable,500h.Tambiénseestudiólaestabilidad delosdispositivoscambiandodiferentesgruposfrentealasdiferentestemperaturas eliminadas. HauchconsuscolegashaninvestigadoelrendimientodeunmóduloflexibledeP3HT:PCBM basadoenlaatmósferaalairelibre.Sorprendentemente,elrendimientototaldelosmódulos Investigaciones recientes en células solares 96  Eldispositivooelementoquemediaenelprocesoeslacélulasolarocélulafotovoltaica. Tambiénllamadacélulafotoeléctrica,célula,fotocélula,celdafotovoltaicaoceldasolar.  Enlaactualidadelmaterialfotosensiblemásutilizadoenlaproduccióndeceldassolaresesel silicio,alcualseleintroducenátomosde3y5electrones(dopaje)paracrearrespectivamente unsemiconductorextrínsecotipoPyunconductorextrínsecotipoN.  AlunirestosdossemiconductoresseformalauniónPN,aloqueselellamacélulasolar.La parteiluminadaserálatipoNylanoiluminadaserálatipoP.  Deestaforma,cuandosobrelacélulasolarincidelaradiación,apareceenellaunatensión análogaalaqueseproduceentrelasbornesdeunapila.Mediantelacolocacióndecontactos metálicosencadaunadelascaraspuede"extraerse"laenergíaeléctrica.  Comoelvoltajeobtenidoenunacélulaesmuypequeñodelordende0,5V,estasgeneralmente seconectanenserieparaproporcionarvoltajesmásgrandes,loquerecibeelnombredepanel fotovoltaico.Siparaunaaplicaciónserequieremásenergíadelaquepuedeproporcionarun panelfotovoltaico,secombinanvariospanelesformandolosmódulosoconjuntos.  Hayvariostiposdecélulasbasadasensilicio,comolasdesilicioamorfoempleadasen calculadorasyrelojeshastalascélulasmultiuniónempleadasenaplicacionesespaciales, pasandoporlascélulasTándem,lasdesiliciomonocristalinoylasdesiliciomulticristalino.  Losdispositivosformadosporlaunióndecélulasdesilicioseestánacercandoallímitede eficaciateóricaqueesdel31%ytienenunperiododeamortizaciónde5‐7años.  Noobstante,lacontinuainvestigaciónenlascélulasfotovoltaicas,nocesaconelfinde conseguircélulasmásfácilesybaratasdeproduciryconmejorescualidadesfísicascomo puedenserlaflexibilidadolaresistencia,paralograrreducirloscostesdelaproducción eléctrica.  Comofrutodeestaincansableinvestigación,yasehabladeunacuartageneracióndecélulas solaresqueconsistiríaenunatecnologíafotovoltaicacompuestaenlaquesemezclan, conjuntamente,nanopartículasconpolímerosparafabricarunacapasimplemultiespectral. Estascélulasmáseficientesybaratas,seríancapacesdeaprovecharpartedelaenergía correspondientealespectroinfrarrojo.  Unasegundapartedeesteproyectosehacentradoenlasinvestigacionesrecientesencélulas solaresdepelículadelgadao"thin‐film",enconcretoenlasbasadasensilicioamorfo,en telururodecadmioylasdeCobreIndioGalioDiseleniuro(CIGS).  Sehaexpuestodeformadetalladalosprocedimientosexperimentalesllevadosacaboenvarios proyectosdeinvestigaciónrealizadospordistintosequiposdecientíficos,asícomolos resultadosydiscusionesobtenidasenestasinvestigaciones.  Encuantoalascélulasdepelículadelgadabasadasensilicioamorfo,lasexpectativasestán puestasenlatécnicaHW‐CVD(depósitoquímicoenfasevaporasistidoporfilamentocaliente) quepareceunabuenaalternativaparaladeposicióndesilicioamorfohidrogenado(a‐Si:H)que hastaahoraanivelindustrialsellevabaacaboporlatécnicaP‐CVD(depósitoquímicoenfase vapormejoradoporplasma).Segúnsehaobservado,laspelículasdepositadasmedianteP‐CVD muestranbajosíndicesdecrecimientoylimitanladeposicióndelapelículaaunintervalo Investigaciones recientes en células solares 97 estrechodetemperaturasdelsustrato.Losbajosíndicesdecrecimientoaumentaneltiempode operacióndelprocesoyporconsiguienteelcostedelaproducción.Elestrechointervalode temperaturasdelsustratoimplicalacomplejidaddelcontroldelhidrógeno,elcuales responsabledeladegradacióndelaspropiedadeselectrónicasproducidaporlaluz.Sin embargo,elmétodoHW‐CVDescapazdemejorarlaestabilidaddelapelículaylograrmayores relacionesdedeposición.Además,laspelículasobtenidasconelmétododelfilamentocaliente muestranmenosdegradacióninducidaporlaluz.  Eltelururodecadmio(CdTe)resultaserunmaterialidealparaserusadocomoabsorbedoren célulassolaresdebidoasu"bandgap"de1.45eV,perograciasaunanuevatécnicade fabricaciónsepuedemejorarsueficiencia,estatécnicasedenomina"sputtering"y proporcionaunaseriedeventajasinigualablesporotratécnicahastaelmomento,entrelas quecabedestacarelserunmétodoeconómicamenteeficientecapazdegenerarel revestimientomássutilyuniformeposible,esunprocesodebajastemperaturasyconstruyeun enlaceindestructibleentrelapelículayelsustrato(yaquelasoldaduraesanivelmolecular.)  EnloreferentealascélulassolaresdeCobreIndioGalioDiselenuro(CIGS),hayqueseñalarque esunadelastecnologíasdepelículadelgadaconmayorpotencialdebidoasualtaeficienciay bajocoste.Sinembargoesunmétododefabricacióncomplicadoynecesitadeunagran inversión.Ademásdelosproblemasdedisponibilidaddematerialesylatoxicidaddelacapade CdS.UnasoluciónesdesarrollarcélulasconunmayorcontenidodeGaycorrespondientemente "bandgap"másaltas,peroestonosehahechoconéxitohastalafecha.Otrostemasquese abordanactualmenteincluyenlanecesidaddedifusióndeNaapartirdelvidriosódico‐cálcicoa travésdelcontactotraserodeMoylacorrespondienteoptimizacióndelespesordelMo.El costoyladisponibilidaddeInyGaparaeldespliegueagranescalapuedesertambiénun problemarelevante.  Yporúltimo,sehadedicadouncapítuloalrecientedesarrollodelascélulasfotovoltaicasde polímeroyalasposibilidadesdemejorarsurendimiento.Comoventajasdeestascélulas,se puededecirque,losmaterialesactivosutilizadosparalafabricacióndedispositivosson solublesenlamayoríadelosdisolventesorgánicoscomunes,ademássonflexiblesysepueden fabricarmedianteunprocesodeimpresióncontinua.Sinembargo,hastaahora,también presentandesventajasimportantesquehayqueintentarsolventar,comoson,PCE(eficiencia deconversiónenergética)muybajaentornoal6%,malaabsorcióndebidaalelevado"band gap"quepresentanlamayoríadelospolímeros,loqueocasionaunapérdidaimportanteenla recogidadefotones.Ademásdelabajaestabilidad,provocadaporladegradacióndel polímero,loqueconllevavidasmuycortasdeestos.  Noobstante,lasposibilidadesdemejoraydeinvestigaciónenelcampodelascélulassolares depolímerosonincalculables,siempreycuandoeldesarrollodenuevosmaterialessigasu curso.Hayquetenerencuentaqueesunatécnicamuyreciente.  Lasprincipalesconclusionesquesepuedensacarsondos:  ‐Atendiendoalacontinuaycrecientedemandaenergética,acentuadaenlaúltimadécadapor lasnuevaseconomíasemergentesyelconstantecrecimientodelapoblaciónmundial,además delainfluenciadefactorestalescomoelencarecimientodeloscombustiblesfósiles,asícomo suprincipalproblemarelacionadoelcambioclimático,lainseguridadylaaltapeligrosidadde otrasenergíascomolanuclear,vanapotenciarlaimportanciadelaenergíasolar,nosólo comounafuentedeenergíalimpiayrenovable,sinotambiéncomounafuentedeenergía duraderayresistentealpasodeltiempocomoinagotablemientraselsolsigaexistiendo. Investigaciones recientes en células solares 98 ‐ Atendiendoalasinmensasposibilidadesdeinnovaciónymejoras,tantodelosmateriales paracélulassolarescomodesusprocesosdefabricación,comolassalesfundidaspara almacenamientotérmico,laenergíasolar,tantolatérmicacomolafotovoltaica,están llamadasaserlaenergíadelfuturo.                                 Investigaciones recientes en células solares 99 Capítulo6.Bibliografía  6.1.Libros  ‐ Travizano,Matias,Romano,SebastiányKamienkowski,Juan,Determinacióndelabanda prohibida(bandgap)enSi,Laboratorio5,Departamentodefísica,UBA‐2002  ‐ EnergíaSolarTérmica.InstitutoparalaDiversificaciónyAhorrodelaEnergía.Autor:José ManuelLópez‐Cózar.  ‐"GuíaprácticadeEnergíaSolarTérmica".EditadaporlaAgenciaValencianadelaEnergía.  ‐EnergíaSolarTermoeléctrica.Dr.ManuelRomeroÁlvarez   6.2.Artículoscientificos  ‐ S.R.Jadkar,J.V.Sali,A.M.Funde,NabeelAliBakr,P.B.Vidyasagar,R.R.Hawaldar,D.P. Amalnerkar,(2007)Depositionofhydrogenatedamorphoussilicon(a‐SI:H)filmsbyhot‐wire chemicalvapordeposition(HW‐CVD)method:Roleofsubstratetemperature,SolarEnergy MaterialsandSolarCells,91,pp714‐720.  ‐ N.Romeo,A.Bosio,A.Romeo,(2010)AninnovativeprocesssuitabletoproducehighefficiencyCdTe/CdSthin‐filmmodules,SolarEnergyMaterialsandSolarCells,94,pp2‐7.  ‐ AllenM.Hermann,(1998)Polycrystallinethin‐filmsolarcells‐Areview,SolarEnergy MaterialsandSolarCells,55,pp75‐81.  ‐ WanzhuCai,XiongGong,YongCao,(2010)Polymersolarcells:Recentdevelopmentand possibleroutesforimprovementintheperformance,SolarEnergyMaterialsandSolarCells,94, pp114‐127.  6.3.Páginasweb ‐http://www.greenpeace.org/raw/content/argentina/cambio‐climatico/greenpeace‐solar‐ creando‐un‐f.pdf  CreandounFuturoEnergéticoLimpio.GreenPeaceAbril2001  ‐http://www.greenpeace.org/raw/content/espana/reports/gu‐a‐solar.pdf  Comodisponerdeenergíasolarfotovoltaicaconectadaalaredeléctrica.GuíaSolar. GreenPeace.  ‐http://www.placas‐solares.net/que‐es‐la‐energia‐solar/  Investigaciones recientes en células solares 100 ‐http://www.sitiosolar.com  ‐http://www.energiasrenovables.ciemat.es  ‐http://www.energia‐solar‐fotovoltaica.info  ‐http://es.wikipedia.org  ‐http://www.portalsolar.com  http://www.ujaen.es/investiga/solar/07cursosolar/home_main_frame/03_celula/01_basico/3 _celula_01.htm  ‐http://bacterio.uc3m.es/investigacion/sensores/temas/ftir/ftir.htmlDepartamentodeFísica. UniversidadCarlosIIIdeMadrid.    