Laboratorio industrial. Image: Noticias del MIT

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

Ahora, los investigadores del MIT y del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) han esbozado una ruta para reducir aún más los costos, esta vez al adelgazar las células de silicio.

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

Los nuevos hallazgos se detallan en un artículo en la revista Energy and Environmental Science , en coautoría del postdoctorado MIT Zhe Liu, profesor de ingeniería mecánica Tonio Buonassisi, y otros cinco en MIT y NREL.

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

Actualmente, el 90 por ciento de los paneles solares del mundo están hechos de silicio cristalino, y la industria continúa creciendo a una tasa de alrededor del 30 por ciento anual, dicen los investigadores. Las células fotovoltaicas de silicio de hoy, el corazón de estos paneles solares, están hechas de obleas de silicio que tienen un grosor de 160 micrómetros, pero con mejores métodos de manejo, los investigadores proponen que esto podría reducirse a 100 micrómetros, y eventualmente tan poco como 40 micrómetros menos, lo que solo requeriría un cuarto de silicio para un tamaño de panel determinado.

Dicen que eso no solo podría reducir el costo de los paneles individuales, sino que aún más importante podría permitir una rápida expansión de la capacidad de fabricación de paneles solares. Esto se debe a que la expansión puede verse limitada por los límites de la rapidez con que se pueden construir nuevas plantas para producir los lingotes de cristal de silicio que luego se cortan como salami para hacer las obleas. Estas plantas, que generalmente están separadas de las propias plantas de fabricación de células solares, tienden a ser intensivas en capital y requieren mucho tiempo para su construcción, lo que podría generar un cuello de botella en la tasa de expansión de la producción de paneles solares. La reducción del grosor de la oblea podría aliviar ese problema, dicen los investigadores.

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

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

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

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

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

“La eficiencia solo puede aumentar en un pequeño porcentaje. Entonces, si desea obtener más mejoras, el grosor es el camino a seguir ”, dice Buonassisi. Pero la conversión requerirá grandes inversiones de capital para el despliegue a gran escala.

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

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

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

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

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

El equipo también incluyó a Sarah Sofía, Hannu Lane, Sarah Wieghold y Marius Peters en el MIT y Michael Woodhouse en NREL. El trabajo fue apoyado en parte por el Departamento de Energía de EE. UU., La Alianza Singapur-MIT para Investigación y Tecnología (SMART), y por una Beca de Energía Total a través de la Iniciativa de Energía MIT.

Escrito por: David L. Chandler | MIT News Office

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