Las células solares que abarcan la mayor parte del mercado son de silicio y presentan una eficiencia de conversión de menos del 20%, es decir, de la energía procedente de la luz solar, solo el 20% se transforma en energía eléctrica en estas células solares. Lograr mayores eficiencias de conversión es crítico a la hora de conseguir reducciones sustanciales en el coste de la energía solar fotovoltaica.
La unidad de funcionamiento básico de un sistema de energía solar fotovoltaica es la célula solar. Un módulo fotovoltaico está compuesto de varias decenas de células solares conectadas en serie y/o paralelo que, en conjunto, suministran una corriente y una tensión al circuito externo de acondicionamiento e interfaz con la red eléctrica o el circuito de consumo. La eficiencia de conversión de energía de las células solares determina el rendimiento de producción de energía del sistema solar fotovoltaico.
Las células solares que abarcan la mayor parte del mercado son de silicio y presentan una eficiencia de conversión de menos del 20%, es decir, de la energía procedente de la luz solar, solo el 20% se transforma en energía eléctrica en estas células solares. Lograr mayores eficiencias de conversión es crítico a la hora de conseguir reducciones sustanciales en el coste de la energía solar fotovoltaica más allá de las conseguidas por la curva de aprendizaje y la producción acumulada a medida que el despliegue de esta tecnología progresa a nivel mundial. Esto es así porque la eficiencia de los paneles tiene una repercusión muy importante en otros costes del sistema que actualmente dominan el coste total, como el área ocupada o la infraestructura necesaria: cuanto menos eficientes son los paneles más hay que instalar para obtener la misma potencia eléctrica, más área ocupan y más costosa es la instalación asociada (estructuras, cableado, etc.).
La tecnología de células solares multiunión es la que ha conseguido eficiencias de conversión fotovoltaica mayores hasta hoy, con valores por encima del 47%. Al igual que en los comienzos de la fotografía se utilizaba un pigmento para obtener imágenes en blanco y negro, y luego evolucionó a tres pigmentos para obtener imágenes a color, las células multiunión representan una evolución similar en el desarrollo de las células solares fotovoltaicas. A diferencia de las células solares tradicionales -como las de silicio que comentábamos antes- las células solares multiunión separan internamente la luz del sol en dos o más colores o rangos espectrales -las más avanzadas hoy usan 6 rangos espectrales- y convierten cada rango espectral en energía eléctrica de manera eficiente. De esta manera, la eficiencia de conversión global de la célula solar es mayor. Los altos valores de eficiencia que se han conseguido hacen que sea la tecnología utilizada en aplicaciones espaciales, donde principalmente se busca minimizar el peso del material a poner en órbita, y se está trabajando en reducir su coste de fabricación para lograr también un precio competitivo en aplicaciones terrestres como en concentradores.
El balance de colores de la luz -lo que se conoce como contenido espectral de la luz- varía a lo largo del día y del año, y también en función del emplazamiento (latitud). Por ejemplo al amanecer y al atardecer la luz del sol es más roja y más azul al mediodía. Esto se debe fundamentalmente a que la absorción de fotones de la luz en la atmósfera cambia al viajar estos fotones de manera más o menos oblicua a lo largo del día y del año en función de la posición del sol y de la latitud, y también a cambios en la atmósfera relacionados con la cantidad presente de agua precipitable, aerosoles, etc. Estos cambios en el contenido espectral de la luz afectan a la eficiencia de conversión fotovoltaica de las células solares multiunión. Normalmente estas células se diseñan para que tengan una eficiencia máxima en las horas centrales del día, ya que es el momento en el que la potencia lumínica que recibimos del sol es mayor e interesa aprovecharla eficientemente. Para otros momentos la eficiencia de conversión se reduce y esto hace que, integrando el efecto a lo largo del año, la cantidad total de energía eléctrica producida se reduzca. Dado que el parámetro de mérito más importante de un sistema de energía fotovoltaica es la energía total producida, es necesario poder modelar y predecir correctamente cuánta energía produce la célula solar multiunión bajo espectro cambiante real.
El número de contenidos espectrales que muestra la luz procedente del sol a lo largo del año es infinito, ya que la posición de éste y la atmósfera cambian continuamente. Si por ejemplo agrupamos estos cambios en intervalos de 5 minutos, el número de espectros solares que se obtienen es de varias decenas de miles. Además, cada espectro solar contiene información relevante en un rango de longitudes de onda del fotón (o “colores” de fotón) que va desde el ultravioleta (a unos 300 nanómetros) hasta el infrarrojo (a unos 2000 nm). Utilizar tal cantidad de datos de entrada en la predicción de la producción de energía y optimización del diseño de las células solares multiunión resulta poco práctico. En este contexto, el objetivo del trabajo realizado en la colaboración entre la Universidad Politécnica de Madrid y el CSIC es obtener una serie reducida de espectros solares que sean capaces de representar el global de variaciones espectrales a lo largo de un año típico y que se puedan utilizar para predecir la producción de energía y diseñar las células solares con un error mínimo. Inicialmente, en colaboración con el National Renewable Energy Laboratory de Estados Unidos, se ideó un método basado en clasificar los espectros según su balance de energías contenidas en dos rangos del espectro solar (https://doi.org/10.1002/pip.2943). A pesar de obtener resultados satisfactorios para las células solares que se investigaban en aquel momento, este método no es lo suficientemente general como para poder aplicarlo en el diseño y predicción de producción de energía en células solares multiunión genéricas, es decir, sin conocer de antemano ninguna característica de su diseño. Para lograr esto, los investigadores UPM-CSIC han desarrollado un método de inteligencia artificial basado en la técnica ‘structured feature agglomerative clustering’ publicado en la revista Nature Communications (https://dx.doi.org/10.1038/s41467-018-07431-3). Con esta técnica se consigue identificar propiedades de los espectros adecuadas para su clasificación y transformación en un conjunto reducido de espectros que representan con una buena precisión al conjunto inicial. Así, con tan solo 3 espectros obtenidos con este método se consigue un error de menos del 0,5% con respecto a utilizar el conjunto completo de decenas de miles de espectros anuales.
Esta capacidad para simplificar el conjunto de decenas de miles de espectros anuales tiene como una de las aplicaciones principales el facilitar la predicción de la producción de energía de diferentes diseños de célula solar. El trabajo actual se centra en este aspecto: conseguir un análisis comparativo de las diferentes tecnologías en cuanto a su capacidad de producir energía bajo un espectro cambiante real. Así por ejemplo, aplicando este método se ha visto que para aumentar la producción de energía no siempre es necesario aumentar la complejidad de la célula multiunión en cuanto al número de colores que es capaz de separar, sino que se puede conseguir con otros diseños como las células multiunión que incluyen células bifaciales.
Sin embargo, quizá una de las conclusiones más importantes de este trabajo es la necesidad de cambiar la manera estándar de cualificar las células solares, y en especial las células solares multiunión. La práctica habitual consiste en obtener los valores de eficiencia de las células en desarrollo en el laboratorio bajo un espectro estándar, como el ASTM G-173-03 definido en el estándar internacional ISO 9845-1, 1992. Pero, como hemos visto, con un solo espectro no se consigue representar bien las características cambiantes a lo largo del día y del año, y usar todo el conjunto de espectros es inviable, lo que impide conocer la producción de energía real que se espera de la célula solar bajo análisis. Sin embargo, con el método desarrollado, se pueden utilizar conjuntos de 3-5 espectros para este propósito. De esta forma, los autores proponen cambiar los estándares de medida para utilizar conjuntos reducidos de espectros obtenidos mediante inteligencia artificial en lugar de un espectro único.
Artículo escrito por:
Iván García
instituto de Energía Solar, UPM
