Cuando los líderes mundiales se reunieron en Glasgow para debatir las políticas climáticas, inevitablemente se habló constantemente de la transición energética hacia fuentes renovables sostenibles.
Las células solares son, sin duda, parte de la respuesta. Como se muestra a continuación, la tecnología fotovoltaica ha llegado muy lejos en cuanto a la reducción del coste de la energía y la ampliación de la capacidad de producción mundial. De hecho, las células solares son ahora financieramente viables sin subvenciones en muchas regiones del mundo. Además, las instalaciones crecen rápidamente cada año a medida que las células solares se convierten en una parte importante de la combinación energética mundial.
La tecnología solar elegida actualmente es, por supuesto, el silicio basado en obleas. Como se muestra a continuación, esta tecnología está establecida desde hace mucho tiempo como la tecnología ganadora, limitando el espacio para otras soluciones, incluidas las células solares de capa fina. Dado este dominio, una pregunta importante es si el silicio mantendrá para siempre su actual posición de líder o si surgirán otras opciones tecnológicas que complementen o desplacen al silicio.
En la mayoría de los campos tecnológicos se producen muchas transiciones tecnológicas. Estas transiciones se gestan en un segundo plano durante décadas, a menudo con perspectivas poco halagüeñas, pero finalmente llegan a la madurez para desplazar a la vieja guardia. No hay ninguna razón fundamental para suponer que la tecnología solar vaya a ser diferente, sobre todo porque el silicio, tal y como es, parece haber madurado, alcanzando los límites de su rendimiento.
Por otro lado, el silicio ha demostrado ser extremadamente resistente en el campo de la electrónica. Nunca deja de sorprender y progresar. Sin embargo, incluso en este campo, muchos semiconductores que no son de silicio ocupan ahora papeles poderosos en, por ejemplo, la electrónica de alta frecuencia o de alta potencia. Además, a pesar del inimaginable cúmulo de horas humanas de tiempo y capital de desarrollo dedicadas hasta ahora a la electrónica de silicio, sigue siendo una cuestión abierta si el silicio por sí solo puede sostener la hoja de ruta futura, dejando un espacio abierto a alternativas como los materiales 2D.
En TechBlick hemos organizado una conferencia en directo (online) para explorar el futuro de las tecnologías fotovoltaicas. En esta conferencia, examinaremos todas las tendencias clave en el desarrollo de nuevas tecnologías fotovoltaicas. En ella estudiaremos las células solares de perovskita, orgánicas y CIGS, así como las híbridas o en tándem. Examinaremos los métodos de producción emergentes, teniendo en cuenta los últimos desarrollos en materia de impresión, así como el procesamiento basado en soluciones R2R o en la evaporación. En esta conferencia online en directo, escuchará a los principales actores que están avanzando en estas tecnologías, como CubicPV, Armor, Heliatek, 3M, Epishine, Flisom AG, National Research Council Canda, VTT, Saule Technologies, Sunew, ITRI, Dracula Technologies, Brite Solar, Solaire, Lightricity, Brite Solar Evolar AB, Ubiquitous Energy, Lusoco, KIT, DuPont, Faunhofer IAP, Swansea University, QDSolar, Solaires, Brilliant Matters, etc. En este artículo le ofrecemos información detallada sobre la situación y las tendencias de estas tecnologías solares para aplicaciones exteriores e interiores. Esto ayudará a poner en contexto la importancia de los temas de esta conferencia. Aquí se habla de la energía fotovoltaica orgánica, la fotovoltaica de perovskita y de técnicas como el procesamiento R2R, la impresión por chorro de tinta, etc.
Fuente: datos de los gráficos del Fraunhofer ISE, adaptados por TechBlick. Izquierda: producción mundial anual. Izquierda: cuota de las tecnologías fotovoltaicas de capa fina. El resto de la cuota de mercado corresponde al Si.
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Perovskitas: ¿la tecnología ganadora del futuro?
Hace décadas que se habla de la tercera generación de energía fotovoltaica. Las dos principales clases de tecnologías de células solares estudiadas fueron las orgánicas y las células solares sensibilizadas por colorantes (DSSC), que posteriormente evolucionaron en la tecnología fotovoltaica que más rápido ha mejorado: la fotovoltaica de perovskita.
El gráfico siguiente muestra la trayectoria de mejora de varias tecnologías fotovoltaicas sin silicio a nivel de célula campeona. Todas las líneas rojas se refieren a las fotovoltaicas de perovskita, ya sea de forma autónoma o en tándem.
Desde que aparecieron en la manzana alrededor de 2014, han mostrado una tendencia de mejora del EQE increíblemente rápida. Resulta interesante que esta tendencia todavía tenga cierto margen para continuar, especialmente para las versiones en tándem (perovskita/CIGS o perovskita/Si). La pronunciada curva que se muestra a continuación ha convertido a la perovskita en la favorita de la industria y de los inversores de todo el mundo. Durante algunos años, también ha robado el protagonismo a los OPV.
En la conferencia en directo (online) de TechBlick escuchará a muchos actores clave que están avanzando en el arte y la tecnología de este campo hacia la industrialización. Escuchará a CubicPV, Saule Technologies, Solaire, VTT, Brite Solar, Evolar y otros.
Únase a TechBlick como titular de un Pase Anual hasta el 19 de noviembre y benefíciese de un descuento de 100 (cupón: Save100Euros a aplicar en el momento de la compra). Con este pase, podrá escuchar y conocer a todos los actores clave que cubren un espectro completo de avances, desde los mejores resultados de eficiencia y vida útil, hasta el progreso hacia la R2R y la impresión por chorro de tinta de las perovskitas, pasando por los avances en la formulación de tintas estables para las perovskitas, hasta las soluciones de película fina llave en mano, y mucho más.
Fuente: TechBlick. Adaptado de los datos del NREL.
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A pesar de las rápidas mejoras a nivel de célula, siguen existiendo barreras tecnológicas para la comercialización a gran escala. Uno de los retos es que la transición de las células pequeñas a las células y módulos más grandes va acompañada de una gran pérdida de eficiencia. Esto se muestra a continuación. Estos datos son de 2020/2021 y las mejoras son constantes. No obstante, este aspecto aún debe ser abordado. En esta conferencia, se escuchará a empresas como CubicPV, que están informando de resultados de estabilidad récord y planean invertir más de 1.000 millones de dólares en su ampliación.
Otro problema es la alta tasa de degradación de las células solares de perovskita, que limita su vida útil. Sin embargo, se están produciendo mejoras tanto en las células como en los módulos, como se muestra a la derecha. Aquí se puede ver la tasa de degradación de PCE de las células y módulos fotovoltaicos de perovskita en comparación con tecnologías bien establecidas como el Si cristalino, el Si policristalino, el CdTe, el a-Si y el CIGS. Curiosamente, la diferencia con el nivel de degradación comercial aceptable se está reduciendo en general, y también hay informes específicos en los que esta diferencia se ha superado por completo. En la conferencia, destacados investigadores, como los del Instituto Tecnológico de Karlsruhe, presentarán las tecnologías de pasivación para las células de perovskita en tándem.
Otro reto es, por supuesto, la presencia de plomo en las células fotovoltaicas de perovskita de mayor rendimiento. Se trata de una cuestión importante, pero por falta de espacio en el artículo, no la abordaremos más a fondo.
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La fabricación de perovskitas, ya sean células individuales o en tándem, es una cuestión importante. Actualmente, la deposición física de vapor da los mejores resultados. La mayoría de las empresas que buscan células en tándem utilizan esta técnica, ya que da lugar a células más estables gracias a un mejor control de las propiedades de la película fina.
En las células sólo de perovskita, las técnicas de deposición de película fina pueden resultar competitivas en cuanto a costes frente al silicio basado en obleas. Esto no ocurrió con el silicio amorfo. Sin embargo, las perovskitas son mucho más eficientes que el a-Si y, por tanto, pueden reducir a la mitad el coste de $/W, incluso con los mismos costes de equipamiento y parámetros de producción.
En las células de perovskita en tándem, los procesos de película fina ofrecen un enfoque inmediato para la compatibilidad con las líneas de silicio existentes, lo que permite aprovechar las células solares de perovskita para aumentar la eficiencia de las células de silicio ya establecidas. Sin esta tecnología de refuerzo, el silicio podría haber alcanzado los límites de su rendimiento, exponiéndose al riesgo de interrupción tecnológica. Por tanto, las células de película fina de perovskita pueden ser la salvación de la fotovoltaica de silicio si se demuestra que son lo suficientemente estables y no tóxicas.
Para lograr escalas más allá de lo que la tecnología de obleas puede alcanzar, muchos están desarrollando enfoques basados en la impresión de R2R, tomando prestados los aprendizajes del desarrollo de OPV. En este caso, algunos apuntan a bandas de 1,5 m que funcionan a una increíble (para este sector) velocidad de banda de 30 m/min para fotovoltaicos de perovskita totalmente R2R. Las interfaces intercalares más limpias, comparadas con la morfología entrecruzada de donantes y receptores de las OPV, podrían simplificarlas, siempre que se desarrollen buenas tintas de perovskita.
En la conferencia se escuchará a los principales investigadores que trabajan en el procesamiento de soluciones, así como en el recubrimiento R2R de los fotovoltaicos de perovskita, como las universidades de VTT y Swansea. Serán charlas de carácter general, en las que se expondrá el estado de la técnica y se ofrecerá una evaluación comparativa no contrastada.
Al mismo tiempo, se escuchará a las empresas que intentan producir comercialmente fotovoltaicos de perovskita mediante R2R o a las que están desarrollando nuevas tintas de perovskita, como Solaire Enterprises. También destacaremos la producción R2R de células solares de puntos cuánticos y perovskita en tándem por parte de empresas como QDSolar, un novedoso enfoque en fase inicial que podría combinar lo mejor de ambas tecnologías emergentes.
Por último, las células solares de perovskita también pueden imprimirse con chorro de tinta. Esto tiene la ventaja de la libertad de diseño y la capacidad de integrar materiales. Se hablará de Saule Technologies, que está ampliando las células solares impresas por inyección de tinta (42.000 metros cuadrados al año) con una sólida cartera de aplicaciones, y de Brite Solar, que está ampliando la fotovoltaica impresa por inyección de tinta a células solares de mayor superficie.
Izquierda: Línea piloto solar R2R de alta velocidad de EMC con capa conductora transparente de malla metálica impresa por flexografía sobre vidrio Corning de 100um. Derecha: fotovoltaica de perovskita impresa con chorro de tinta por Saule Technology sobre vidrio y algunos ejemplos de aplicación en interiores. Hágase titular del Pase Anual para ver este contenido a la carta.
Fotovoltaica orgánica: ¿Renacimiento?
Como se muestra en el gráfico de eficiencia frente a años, la fotovoltaica orgánica tiene ya una historia de desarrollo de 20 años. La tecnología sufrió un retroceso tras la quiebra de Konarka, lo que paralizó el desarrollo comercial y tecnológico. Esto se refleja en el lento crecimiento incremental de la eficiencia de la OPV entre 2011 y 2018. Sin embargo, ha habido saltos en la eficiencia desde entonces, con células OPV que superan el 18% de eficiencia certificada.
Los desarrollos de los materiales y el dominio del arte del control de la morfología del donante-aceptor a nanoescala, sostendrán aún más esta tendencia de desarrollo. En particular, en los últimos años, la transición a los aceptores sin fullereno ha rejuvenecido la tendencia de desarrollo, llevando a un nivel de eficiencia cada vez mayor.
Todos los tipos de desarrollo de materiales continúan a buen ritmo, dando forma al futuro de la tecnología OPV. En la conferencia en directo (online) de TechBlick, que tendrá lugar los días 1 y 2 de diciembre, se podrá escuchar a empresas de la talla de Brilliant Matters, Phillips 66, Solaire y otras, hablar del desarrollo de materiales orgánicos y de perovskita.
Fuente TechBlick. Adaptado de los datos de la Universidad de Swansea.
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Paralelamente, e igualmente importante, se han acumulado importantes aprendizajes técnicos a nivel de producción en la industria. Al principio, Konarka recaudó enormes sumas de dinero, pero la burbuja de la tecnología OPV estalló con su quiebra.
Konarka sufrió una mala sincronización en ese momento. China amplió masivamente la capacidad de producción de células de silicio gracias a la financiación y otros apoyos estatales, lo que cambió el panorama competitivo con la caída de los precios de los dólares y el agua. Sin embargo, Konarka también cometió errores tecnológicos. Quiso escalar demasiado pronto y trató de hacerlo utilizando una máquina de banda de 1,5 m de ancho, no personalizada, que no pudo ser optimizada para aumentar la eficiencia de las células OPV. Por lo tanto, a pesar de la inversión, nunca consiguió acercarse al nivel de eficiencia del 5% y nunca hizo funcionar la máquina cerca de los niveles de velocidad de banda previstos. La industria ha aprendido estas lecciones.
De hecho, a pesar de este revés, la industria continuó con sus desarrollos. Hubo un cierto grado de consolidación tecnológica a través de fusiones y adquisiciones y, lo que es más importante, una excelente acumulación de conocimientos técnicos.
Como se muestra a continuación como ejemplo, las empresas pueden ahora procesar en bandas más amplias con buena uniformidad. Este ejemplo concreto es de Sunew, en Brasil. Imprimen en bandas de 0,5 m con longitudes de hasta 1,5 km. Tienen cinco estaciones de impresión y 32 líneas de impresión (con doble cara se convierten en 64).
Como se muestra a continuación, pueden mantener una uniformidad de espesor en toda la banda de <2%. Además, consiguen una EQE relativamente constante a medida que se escala la banda. Esto no es fácil de conseguir. Además, redujeron el número de pasadas ficticias para alcanzar la uniformidad entre pasadas a <<3>>. También se pueden ver varios ejemplos de instalaciones, lo que demuestra que esta tecnología aún no está preparada para la producción de energía a nivel de servicios públicos, pero está encontrando nichos de uso únicos en otros lugares.
Sunew no es la única que está aumentando la producción de OPVs orgánicos. Armor (ASCA) también está ampliando la producción de OPV de heterounión procesada en solución. Heliatek domina el complejo arte de la evaporación R2R de los OPV en tándem.
En la conferencia LIVE (online) de TechBlick, que tendrá lugar los días 1 y 2 de diciembre, podrá escuchar en directo a todos los protagonistas de este campo, como Sunew, Armor y Heliatek. También podrá conocer a los ponentes de estas empresas en las salas interactivas "virtuales en persona" para mezclarse y seguir debatiendo. También escuchará a los fabricantes de equipos, como Coatema, cuya experiencia y máquinas de revestimiento a medida desempeñan un papel fundamental en el desarrollo de esta industria.
Datos de Sunew. Adaptado por TechBlick.
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No todos se centran también en las aplicaciones de exterior o BIPV. Esto tiene sentido, ya que la eficiencia y los costes de las OPV no están todavía cerca de ser lo suficientemente buenos como para competir directamente con las tecnologías de Si o CdTe.
Por el contrario, un punto fuerte de venta y un factor diferenciador de las OPV ha sido siempre su capacidad de superar a las células de Si estándar en condiciones de poca luz en interiores. En algunos casos, como mostrará NRCC en nuestra conferencia, la eficiencia en interiores puede acercarse al 30%.
Esto explica la gran atención que se presta a las aplicaciones de captación de energía de los OPV en interiores, sobre todo cuando se trata de ofrecer un módulo totalmente integrado que sustituya a las pilas de botón o prolongue su vida útil de forma que se conviertan en soluciones "aptas y olvidadas". En la conferencia de TechBlick, Enerthing, por ejemplo, hablará de su enfoque de los módulos de captación de energía basados en OPV.
Un obstáculo para la adopción de la captación de energía con OPV es el elevado coste de la producción de energía con OPV. Para superarlo, las técnicas R2R pueden resultar útiles. Epishine, otro de los ponentes de la conferencia en directo(online) de TechBlick, hablará de su línea completamente R2R -desde la producción hasta la conversión- para la producción en masa de OPV a gran velocidad y bajo coste.
Como se verá, estas empresas están yendo más lejos que nunca y casi todas se benefician directamente de los desarrollos tecnológicos de la anterior generación de actores en este campo. Algunas se han hecho con equipos de menor coste que en un principio estaban destinados a otras aplicaciones, mientras que otras han absorbido la propiedad intelectual y los conocimientos técnicos de los anteriores actores. Por lo tanto, es fácil reconocer un hilo conductor y una herencia compartida entre todos estos desarrollos.
La personalización del diseño o el diseño de forma libre ha sido otra característica diferenciadora de las células solares orgánicas. En este caso, la impresión por chorro de tinta puede convertirse en un diseño muy completo, que permite probar rápidamente diferentes diseños, así como diferentes materiales activos y disolventes ecológicos. En la conferencia TechBlick, que tendrá lugar los días 1 y 2 de diciembre de 2021, se hablará de Drácula Technologies, uno de los pioneros en este campo. Drácula tiene planes de aumentar su capacidad a 5.000.000 de unidades para mediados de 2023, demostrando así que la impresión por inyección de tinta también puede ser una buena opción para la industrialización de las OPV destinadas a aplicaciones de interior. Por último, cuando se trata de productos fotovoltaicos (orgánicos, CIGS, QD), la pasivación es un componente clave. A menudo se requieren niveles de permeabilidad más elevados (>10E-4g/día/m²), lo que exige estructuras multicapa compuestas por pares de capas orgánicas-inorgánicas. Esto, y los bajos volúmenes de producción actuales, aumentan los costes de las películas de barrera. Estas películas, a su vez, son un componente de coste importante que hace subir el precio de las OPV y otras células solares. Es el clásico problema del huevo y la gallina para esta industria.
A pesar de ello, ya se dispone de buenas soluciones técnicas, que están madurando. Los precios también han bajado rápidamente, aunque no lo suficiente. Además de las propiedades de barrera, también se introducen características adicionales como la protección contra los rayos UV. En esta conferencia, se podrán escuchar las últimas novedades de dos actores principales, 3M e ITRI. El primero es un actor importante en este campo y el segundo tiene una solución única muy novedosa.
Únase a TechBlick como titular de un Pase Anual hasta el 19 de noviembre y benefíciese de un descuento de 100 (cupón: Save100Euros que deberá aplicarse en el momento de la compra). Con este pase, podrá escuchar y conocer a todos los actores clave que trabajan en los desarrollos de OPV como Sunew, Armor, Heliatek, Epishine, Dracula Technologies, Brilliant Matters, Phillips 66, Coatema, InfinityPV, y otros. Realmente no hay otro foro en el que se pueda conocer a todo el mundo.
Un último punto es que la impresión o el procesamiento R2R no son exclusivos de los orgánicos o las perovskitas. El CIGS también puede ser producido por R2R. Aquellos con una historia en la industria podrían recordar algunas empresas bien financiadas que buscan imprimir R2R tintas CIGS.
En esta conferencia conoceremos enfoques interesantes para el procesamiento R2R de CIGS. FlisomAG, con tecnología de Empa, está muy avanzada en cuanto a la producción de R2R con una cartera de productos listos para la venta de CIGS flexible de alto rendimiento.
Fuente: OPVs impresos por inyección de tinta de Drácula.
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Entre los principales ponentes mundiales figuran:
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