Energía fotovoltaica: tecnología tándem, cada vez más eficiente

¿Cómo evitar que el fenómeno de la polarización inversa «someta a estrés» las células tándem de silicio-perovskita? A esta pregunta ha conseguido responder un estudio llevado a cabo por algunos de nuestros compañeros del equipo de Investigación y Desarrollo, en colaboración con el centro de investigación CEA-Liten en el INES, y publicado en la prestigiosa revista Advanced Science con el título Silicon/Perovskite Tandem Solar Cells with Reverse Bias Stability down to -40V. Unveiling the Role of Electrical and Optical Design. 

¿Cuál ha sido el punto de partida de nuestro estudio? 

Se llama polarización inversa y es uno de los factores que pueden comprometer la eficiencia y la integridad de un módulo solar. De hecho, la sombra parcial del módulo causada por un árbol, la nieve o cualquier otro elemento es suficiente para someter las células solares a una condición de estrés que puede poner en riesgo permanentemente su rendimiento. Esto puede ser especialmente grave para los módulos basados en tecnología de película fina, incluidos los de nueva generación, como la perovskita. La polarización inversa tiene un impacto menor en los módulos de silicio cristalino (entre los que se encuentra la heterounión - HJT), que permiten, mediante medidas específicas como la integración de diodos de derivación en el interior del módulo fotovoltaico, adaptarse mejor a este efecto. 

Células de tecnología tándem, alto rendimiento y resistencia

3SUN, desde siempre liderando la innovación en el sector fotovoltaico, ha investigado el impacto de la polarización inversa en sus células tándem de silicio-perovskita que actualmente se encuentran en fase de desarrollo. Los resultados, extremadamente prometedores, recogidos en un estudio recientemente publicado en Advanced Science, revelan cómo el acoplamiento en tándem con silicio, además de permitir un 30 % más de eficiencia de la célula, consigue proteger la perovskita contra los efectos no deseados de la polarización inversa. 

En palabras de uno de los protagonistas del estudio, nuestro compañero Diego Di Girolamo, especialista en I+D avanzada de 3SUN: «Gracias a estos estudios, hemos investigado la respuesta de las células tándem a la polarización inversa, para saber de qué forma puede ayudar el silicio para que la perovskita no se vea afectada. Al mismo tiempo, el estudio ha permitido saber cómo diseñar mejor algunos aspectos clave de la tecnología tándem, para garantizar a la célula la protección más eficaz posible».

Giuliana Giuliano y Diego Di Girolamo, de nuestro equipo de I+D, participaron en la investigación publicada en «Advance Science».

¿Qué le sucede a la célula fotovoltaica en condiciones de sombra parcial?

«El estudio – continúa Di Girolamo – se presenta como el informe de una actividad realizada para analizar la estabilidad y fiabilidad de la tecnología tándem de silicio-perovskita en casos de polarización inversa. Esta es una cuestión esencial para el sector fotovoltaico y, en general, para cualquier tipo de tecnología, especialmente las más innovadoras como la tecnología tándem. El trabajo, en particular, ha observado lo que sucede cuando las células solares están expuestas a una sombra parcial, lo que provoca que algunas puedan generar energía y otras no y, por lo tanto, tiendan a disipar la energía generada». 

Pero, ¿qué le sucede realmente al módulo cuando está parcialmente a la sombra? «Hay que tener en cuenta que normalmente un módulo fotovoltaico está formado por muchas células solares conectadas en serie entre sí. Esto implica que la misma corriente debe pasar por todas ellas. Sin embargo, si una célula no está expuesta a la luz del sol, al no poder generar energía, acabará por disipar la energía generada por las otras células “iluminadas”, calentándose y devolviendo potenciales negativos», subraya Di Girolamo, que continúa explicando: «Esto supone un estrés térmico y eléctrico que puede llegar a comprometer definitivamente la eficiencia de la célula solar, un aspecto muy relevante para las tecnologías de película fina, como los módulos fotovoltaicos que utilizan como material activo únicamente perovskita».

3SUN: la solución a los problemas críticos de la polarización inversa 

Un problema muy importante ya que puede desestabilizar todo el sistema. Como explica nuestro compañero: «La perovskita es un material muy reciente, que conocemos menos que el silicio y que tiende a presentar cierta degradación si se somete a polarización inversa. Sin embargo, el estudio nos ha permitido descubrir cómo el silicio es capaz de protegerla y detectar los aspectos que se deben tener en cuenta para aumentar al máximo esta protección. De hecho, disponemos de pautas para diseñar una célula tándem que se mantenga estable a las tensiones de la sombra parcial. Además, nuestro estudio permitirá diseñar protocolos de evaluación de la fiabilidad de las células tándem con respecto a la polarización inversa más completos y más descriptivos que los mecanismos reales de degradación, un aspecto muy relevante ya que se trata de una tecnología innovadora».

El resultado clave del estudio ha sido poder saber que al acoplar la perovskita al silicio se pueden utilizar las estrategias convencionales empleadas en el silicio también para células tándem, preservando la perovskita y el rendimiento mediante el uso de diodos de derivación. Básicamente, concluye Di Girolamo, hemos observado que, incluso llevando el tándem, durante un número de horas superior al normal, a un valor extremadamente estresante pero probable en condiciones de funcionamiento, como -40 V, la célula solar, si se ha diseñado adecuadamente, mantiene toda su eficiencia inicial».