Las nanoestructuras desarrolladas en la superficie del vidrio fotovoltaico denominado Funglass, creado por CENER, ofrecen múltiples ventajas: eliminan la reflexión de la luz, reducen la acumulación de la suciedad, tienen la capacidad de autolimpiarse y muestran una resistencia a la abrasión mejorada, prolongando así su vida útil en el exterior
Las nanoestructuras desarrolladas en la superficie del vidrio fotovoltaico denominado Funglass, creado por CENER, ofrecen múltiples ventajas: eliminan la reflexión de la luz, reducen la acumulación de la suciedad, tienen la capacidad de autolimpiarse y muestran una resistencia a la abrasión mejorada, prolongando así su vida útil en el exterior.
La tecnología fotovoltaica (FV) ha avanzado exponencialmente en las últimas décadas, alcanzando este último año un hito histórico con la instalación de más de 1 TW de potencia fotovoltaica acumulada, según datos de la Agencia Internacional de la Energía [1]. Aunque existen distintas tecnologías fotovoltaicas, como silicio, CIGS, perovskitas, orgánicas... que tienen diferencias fundamentales en muchos aspectos, la mayoría comparte un mismo material, el vidrio como cubierta frontal.
El vidrio protege los componentes internos del módulo FV proporcionando una barrera protectora contra las condiciones climáticas como la lluvia y la nieve, el granizo, el viento y el polvo, garantizando de esta forma la durabilidad y la vida útil prolongada de los sistemas FV. Actúa también de soporte, aportando rigidez y estabilidad estructural al módulo. Y además, proporciona una alta transparencia, permitiendo que la máxima cantidad de luz solar llegue a las células solares, optimizando así su conversión en electricidad. Sin embargo, no es perfectamente transparente y refleja parte de la luz incidente: un 4% en incidencia normal con un aumento gradual a medida que aumenta el ángulo de incidencia de la luz. Por ello, se ha generalizado en la industria FV añadir capas antirreflectantes (AR). Por otra parte, el polvo presente en diferentes cantidades en todos los entornos se deposita sobre el vidrio, bloqueando con ello parcial o completamente la llegada de luz a las células, razón por la cual son imprescindibles en muchos lugares los protocolos de limpieza periódica de los módulos, algo que en la práctica puede suponer un aumento del coste de las actividades de operación y mantenimiento y que comprometen en ocasiones la durabilidad de la capa AR.
Para resolver esta problemática, CENER (Centro Nacional de Energías Renovables) ha desarrollado Funglass, un vidrio con nanoestructuras aleatorias en su superficie que aborda estos desafíos de manera integral. Estas estructuras consiguen minimizar la reflexión, disminuir en un 50% la adherencia del polvo y mejorar su capacidad de autolimpieza. Además, al no añadir ningún recubrimiento externo, la resistencia a la abrasión de estas estructuras, monolíticamente fabricadas sobre la superficie del vidrio, supera a las de los recubrimientos utilizados actualmente. De este modo, con este nuevo vidrio no solo se puede aumentar y ampliar a largo plazo la eficiencia de los módulos fotovoltaicos, sino que se reduce la necesidad de limpieza, disminuyendo así notablemente los costes de O&M.
Un vidrio antirreflectante
La luz reflejada en los módulos fotovoltaicos es radiación que no llega a las células fotovoltaicas y que, por lo tanto, no se convierte en electricidad. Esta reflexión se produce debido a un cambio brusco en el índice de refracción, pasando de 1 (aire) a 1.5 (vidrio). Las estructuras fabricadas en el vidrio eliminan este repentino cambio, generando una transición gradual del índice de refracción desde el aire hasta el vidrio y minimizando así la luz reflejada. En el desarrollo realizado en CENER se ha logrado reducir la reflexión del vidrio de un 7.2% a un 1.1% en incidencia normal y de un 12.7% a un 3.4% a una incidencia de 60 grados, lo que representa una disminución del 84.7% y del 73.2% respectivamente en la reflexión [2].
Estas mejoras hacen que Funglass sea especialmente adecuado para sistemas FV fijos, donde el ángulo de incidencia de la luz solar varía durante el día, así como para regiones con nubosidad y luz difusa, ya que aumenta la corriente generada en un 3.5% a ángulo normal y más del 5% en ángulos mayores de 60 grados.
Módulos un 50% más limpios
Otra ventaja importante que aportan las estructuras de vidrio es la propiedad de antisuciedad. La acumulación de polvo bloquea la entrada de luz a las células. De hecho, en las regiones con más recurso solar, que coinciden con las regiones más áridas, el coste de las pérdidas anuales globales causadas por la suciedad puede suponer entre 3 y5 millones de euros a nivel mundial según datos de Klemes Ilse, investigador de Fraunhofer.
Las estructuras desarrolladas en CENER aumentan la distancia media entre la base de la superficie del vidrio y la superficie de polvo. Teniendo en cuenta que las fuerzas que gobiernan la adherencia son las fuerzas de Van der Waals y las fuerzas de capilaridad, éstas disminuyen con la distancia mencionada. De este modo, mediante tres diferentes métodos de medición se ha obtenido una disminución del ritmo de ensuciamiento de los módulos FV de aproximadamente un 50%, manteniendo los módulos más limpios durante más tiempo [2].
Autolimpieza del módulo
Sin embargo, las nanoestructuras no pueden evitar completamente el ensuciamiento, y es habitual que acaben acumulando cierto grado de suciedad. Además de la antirreflectancia y antisuciedad, otra de las ventajas que ofrece el Funglass es su capacidad autolavable. Las nanoestructuras de vidrio potencian la característica hidrófila inicial del vidrio, convirtiéndolo en súper hidrófilo, mostrando un ángulo de contacto de la gota de agua de 11o y un ángulo de deslizamiento de 10o. De esta manera, en módulos instalados con una inclinación superior a 10o la lluvia ejercerá un efecto autolavable, deslizándose con facilidad a lo largo de todo el módulo, recogiendo y arrastrando la suciedad [2].
Notable mejora de la resistencia a la abrasión
Otra de las ventajas que ofrece el Funglass está relacionada con la naturaleza de las estructuras. Este vidrio no posee ningún recubrimiento adicional ni ninguna mezcla de materiales que aporten antirreflectancia y antisuciedad. Las estructuras nanométricas desarrolladas han sido grabadas directamente en el propio vidrio, obteniendo estructuras monolíticas muy resistentes y estables, y evitando de esta forma el problema que surge habitualmente cuando se utilizan recubrimientos adheridos al vidrio, que acaban por despegarse o perdiendo su eficacia tras los procesos de limpieza.
La resistencia y durabilidad de estas estructuras se han medido realizando el test de abrasión con un cepillo de nylon, con y sin arena, como medio abrasivo (según lo definido en el estándar IEC 62788-7-3). A partir de los resultados obtenidos se ha demostrado que las estructuras poseen una resistencia que supera a la de los recubrimientos existentes, ya que después de 500 ciclos de cepillado sin arena no se ha observado ninguna disminución en sus propiedades. En el segundo experimento, tras la realización de 500 ciclos de abrasión con arena, para el vidrio con las estructuras el empeoramiento ha sido solamente del 1%; sin embargo, para diferentes soluciones utilizadas habitualmente se ha observado un empeoramiento de entre 2.5% y de 3% (dependiendo del tipo de recubrimiento), mostrando una resistencia mejorada a la abrasión.
Conclusiones
El vidrio fotovoltaico Funglass con sus nanoestructuras innovadoras representa una apuesta segura para la industria fotovoltaica. Con las nanoestructuras grabadas en su superficie ofrece mejoras nunca vistas en la eficiencia y durabilidad de los módulos fotovoltaicos. Estas estructuras minimizan la reflexión de la luz de manera efectiva, disminuyen la adherencia de la suciedad y ofrecen capacidades de autolimpieza. Además, su resistencia a la abrasión mejorada garantiza una larga vida útil y una mayor rentabilidad respecto a los productos ya existentes.
Con todas estas funcionalidades que proporciona esta disruptiva tecnología, no solo se verá beneficiada la industria fotovoltaica, sino que puede ser empleada en multitud de aplicaciones, como en la industria solar, en la edificación, en la fotografía… aumentando sus prestaciones y disminuyendo los costes.
[1] IEA, Snapshot of Global PV Markets 2023 Task 1 Strategic PV Analysis and Outreach PVPS. [Online]. Available: www.iea-pvps.org
[2] C. L. Pinto, I. Cornago, A. Buceta, E. Zugasti, and J. Bengoechea, “Random subwavelength structures on glass to improve photovoltaic module performance,” Sol. Energy Mater. Sol. Cells, vol. 246, no. August, p. 111935, 2022, doi: 10.1016/j.solmat.2022.111935.