Los paneles solares de múltiples uniones, también conocidos como multi-junction solar panels en inglés, son una tecnología prometedora en el campo de la energía solar. En este artículo, exploraremos el propósito de estos paneles solares, comparándolos con los paneles solares de una sola unión en términos de eficiencia, materiales y precios.
Eficiencia
La eficiencia de un panel solar es una medida de qué porcentaje de la luz solar que incide sobre él se puede convertir en electricidad. En términos de eficiencia teórica, los paneles solares de múltiples uniones tienen el potencial de superar significativamente a los paneles solares de una sola unión. Según el Departamento de Energía, los paneles solares de múltiples uniones con tres uniones tienen eficiencias teóricas superiores al 45 por ciento, mientras que los paneles de una sola unión alcanzan un máximo de aproximadamente el 33,5 por ciento. Agregar más uniones (potencialmente hasta 5 o 6 uniones) podría aumentar la eficiencia en más del 70 por ciento. Para referencia, los paneles solares más eficientes disponibles hoy en día tienen eficiencias de alrededor del 22 por ciento.
Materiales
Los paneles solares de una sola unión suelen estar hechos de silicio como semiconductor, mientras que los paneles solares de múltiples uniones comúnmente utilizan tres semiconductores diferentes: fosfuro de indio galio (GaInP), arseniuro de indio galio (InGaAs) y germanio (Ge).
Precios
Aún no hay paneles solares de múltiples uniones disponibles comercialmente, lo que significa que los precios son en su mayoría especulativos. Una cosa es segura: la producción de paneles solares de múltiples uniones es un proceso más complicado y difícil que utiliza materiales más caros, por lo que es probable que cuesten más que los paneles de una sola unión cuando lleguen al mercado masivo. Sin embargo, el costo de los paneles solares ha disminuido constantemente en los últimos años y, a medida que los procesos de fabricación se perfeccionen, es probable que el costo de los paneles solares fabricados con células solares en tándem siga el mismo patrón a lo largo del tiempo.
Los dispositivos de múltiples uniones consisten en varias uniones de semiconductores individuales apiladas juntas y conectadas en serie para obtener un rendimiento más alto. Sin embargo, la caracterización de las propiedades eléctricas y ópticas de cada subcelda utilizada en tales estructuras es una tarea desafiante, ya que las subceldas en una pila de dispositivos de múltiples uniones generalmente no son accesibles de forma independiente. Esto significa que la eficiencia de la corriente de cortocircuito (Isc) y el factor de llenado (FF) son funciones de la irradiancia espectral incidente, lo que complica enormemente la determinación del rendimiento del dispositivo. Además, el ajuste de la espectroscopia de respuesta cuántica externa (EQE) determina la calidad de una subcelda y, cuando se integra en un espectro específico, proporciona la corriente de cortocircuito de la subcelda. Sin embargo, en algunos casos, se produce un artefacto de medición característico al medir la curva EQE, lo que afecta considerablemente el cálculo de la corriente de cortocircuito. Además, en dispositivos de múltiples uniones conectados en serie, la irradiancia total y espectral incidente determina qué subcelda generará la menor corriente fotovoltaica y, por lo tanto, limitará la corriente a través de todo el dispositivo. Esto también afecta el factor de llenado del dispositivo. Además, algunos dispositivos de múltiples uniones tienen más de dos terminales, lo que permite conexiones eléctricas a cada subcelda. En estos casos, no se requieren técnicas especiales para medir la respuesta espectral y las subceldas se pueden medir individualmente. Sin embargo, aún se necesitan técnicas de medición de corriente-voltaje (I-V) si el dispositivo está destinado a ser operado como un dispositivo de dos terminales.
Los paneles solares de múltiples uniones de III-V son conocidos por tener eficiencias más altas que las tecnologías competidoras. Estos paneles solares utilizan múltiples bandas de energía o uniones sintonizadas para absorber una región específica del espectro solar y así crear celdas solares con eficiencias récord superiores al 45 por ciento. Las celdas solares de una sola banda de energía tienen una eficiencia teórica máxima de alrededor del 35 por ciento debido a la distribución amplia de los fotones solares. Las celdas solares de múltiples uniones utilizan una capa superior con una banda de energía alta para absorber fotones de alta energía y permitir que los fotones de menor energía pasen a través de ella. Luego, se coloca un material con una banda de energía ligeramente más baja debajo de la unión de alta energía para absorber fotones con energía ligeramente menor. Las celdas solares de múltiples uniones generalmente utilizan dos o más uniones, y la eficiencia máxima aumenta con el número de uniones. Estas celdas solares se han utilizado principalmente en aplicaciones espaciales debido al peso ligero y la alta eficiencia que ofrecen. Para aplicaciones terrestres, el alto costo de estos sustratos semiconductores puede ser compensado mediante el uso de ópticas de concentración, lo que aumenta la cantidad de luz incidente en la celda solar y, por lo tanto, la producción de energía. Sin embargo, el uso de ópticas de concentración requiere el seguimiento solar de doble eje, lo que debe tenerse en cuenta al calcular el costo del sistema. Actualmente, se están llevando a cabo investigaciones activas para reducir el costo de la electricidad generada por estas celdas solares de múltiples uniones a través del desarrollo de nuevos materiales de sustrato, materiales absorbentes y técnicas de fabricación, así como el aumento de la eficiencia y la extensión del concepto de múltiples uniones a otras tecnologías de paneles solares.