El progreso de las células solares de perovskita en tándem

Los analistas de mercado de S&P Global Commodity Insights prevén una producción de 1 GW a finales de 2024 y 6 GW en 2025. Los dispositivos de perovskita en tándem están a la cabeza de la cola de comercialización, pero su caracterización presenta desafíos técnicos.

Investigadores del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (Fraunhofer ISE) anunciaron que, junto con el desarrollador de perovskita Oxford PV, habían producido un módulo tándem de perovskita de tamaño completo con una eficiencia de conversión del 25%. Con 421 W, la potencia del módulo doble de vidrio está lejos de la alcanzada por los módulos de gran formato fabricados por los gigantes de la industria solar. No obstante, el resultado fue una demostración contundente de los pasos que se están dando hacia la comercialización de lo que se considera la próxima generación de tecnología de células solares.

Al anunciar el resultado, el equipo del Fraunhofer ISE señaló que los científicos de su laboratorio de calibración CalLab PV Modules utilizaron un «simulador solar multiespectral» para medir tanto la célula solar de silicio cristalino como las células de perovskita. Permitía aplicar diferentes espectros de luz a la célula mientras estaba bajo iluminación continua. Para ello se necesitó un equipo de medición especializado basado en fuentes de luz LED capaces de iluminar uniformemente la superficie de 1,68 m2 del módulo.

«La intensidad continua y la estabilidad espectral de la fuente de luz son de especial importancia, sobre todo para los dispositivos en tándem», afirma Johnson Wong, director general para América del proveedor de equipos Wavelabs. Los investigadores del Fraunhofer ISE utilizaron el comprobador I-V de módulos LED Sinus-3000 Advanced de Wavelabs para el módulo fotovoltaico Oxford.

«Gracias a su distribución optimizada de la luz a lo largo de una gran distancia de trabajo, la fuente de luz del comprobador está diseñada para proyectar un campo luminoso que imita muy de cerca al sol en cada punto de la gran superficie del módulo», añadió Wong. Dijo que el comprobador LED Sinus-3000 supera la clase A+ en términos de «espectro, uniformidad de la luz y estabilidad en el tiempo, que desempeñan un papel fundamental en la precisión de la medición».

Caracterización precisa La caracterización precisa de los dispositivos solares de perovskita no sólo requiere nuevos equipos, sino también procesos novedosos. Se necesitan tiempos de iluminación más largos; el impacto de la temperatura de la fuente de luz debe controlarse o corregirse; los barridos I-V deben ser significativamente más lentos que en las células de silicio cristalino; y, en las células en tándem, su corriente debe alinearse para que no se limite la potencia de salida combinada.

La comunidad investigadora fotovoltaica, los posibles fabricantes y los proveedores de equipos están avanzando en la superación de los formidables retos que plantean los dispositivos solares de perovskita. Se están poniendo en marcha nuevos proyectos de investigación en colaboración y las rutinas de medición son cada vez más sofisticadas. Como resultado, crece la confianza en que, a medida que los futuros fabricantes de dispositivos fotovoltaicos de perovskita vayan madurando, los equipos y procesos estarán preparados.

Perspectivas soleadas Karl Melkonyan, analista de tecnología fotovoltaica de S&P Global Commodity Insights, afirma que los tándems de perovskita tienen «las mejores posibilidades de comercialización» entre las tecnologías de células solares de nueva generación. Las células fotovoltaicas de perovskita pueden acoplarse a células solares de silicio cristalino (c-Si) o de capa fina.

Los primeros dispositivos fotovoltaicos de perovskita alcanzaron eficiencias de conversión de un solo dígito: en 2008 se registró un 3,8%. Ahora se baten récords de eficiencia a intervalos regulares y superan con creces el 25%.

Los dispositivos tándem de perovskita son muy prometedores, sobre todo porque la célula de perovskita de película fina y la capa «base» de c-Si, teluro de cadmio o seleniuro de cobre, indio y galio pueden captar diferentes longitudes de onda de la luz, lo que da lugar a células de investigación a pequeña escala con eficiencias superiores al 30%.

Sin embargo, es difícil trasladar la eficiencia de laboratorio a células y módulos de mayor tamaño. «Aunque hay muchos récords de eficiencia de células solares de perovskita que alcanzan el 20% o más, la eficiencia total de una estructura en tándem puede ser mucho menor que la suma de esas eficiencias individuales», explica Melkonyan. El motivo suele ser un desajuste de corriente entre las células inferior y superior.

Retos de medición Para que un dispositivo fotovoltaico demuestre su valía, su producción de energía debe poder medirse de forma precisa, reproducible y estandarizada. Al fin y al cabo, si se va a comprar e instalar un módulo fotovoltaico, es vital que se pueda confiar en su potencia nominal.

A este respecto, como se señala en el reciente resultado de Fraunhofer ISE y Oxford PV, los dispositivos fotovoltaicos de perovskita presentan una serie de nuevos retos. «Sí, la medición de la potencia de una célula de perovskita en tándem o multiunión presenta retos y podría ser bastante difícil porque se necesitan simuladores solares muy específicos con ajuste espectral», afirma Melkonyan. «Aparte de métodos de estabilización apropiados para diferentes materiales de perovskita, los procesos deben incluir protocolos estandarizados para medir en condiciones de prueba estándar».

A finales de abril de 2024, Fraunhofer ISE, Oxford PV, Wavelabs y la Universidad de Friburgo concluyeron una investigación de 11 meses sobre cómo caracterizar con precisión las células fotovoltaicas en tándem de perovskita de gran formato. Martin Schubert, del Fraunhofer ISE, dirigió el proyecto, abreviado «Katana» en alemán. Según Schubert, hay dos grandes diferencias entre la caracterización de los dispositivos de perovskita en tándem y la de los módulos fotovoltaicos normales.

Dos factores «Uno es que la eficiencia puede cambiar durante la iluminación», explica Schubert, que dirige el equipo de control de calidad, caracterización y simulación. «El motivo es que en la célula de perovskita hay una migración de iones en la que algunos iones se mueven. La segunda complicación es la arquitectura en tándem. Por sí misma, significa que tenemos dos células solares, una encima de la otra y con diferente sensibilidad espectral. Tenemos que asegurarnos de que la célula superior reciba la cantidad correcta de corriente y la inferior la cantidad correcta de corriente».

La migración de iones dentro del dispositivo de perovskita mientras está sometido a iluminación continua significa que la eficiencia medida puede aumentar o disminuir con el tiempo. Esta «metaestabilidad» requiere un largo periodo de iluminación para estabilizar la producción de energía. Para complicar aún más las cosas, las distintas composiciones fotovoltaicas de perovskita presentan distintos niveles de metaestabilidad.

La necesidad de una larga exposición a la luz, para adaptarse a la metaestabilidad, conlleva calor, incluso cuando se utilizan LED. Esto significa que la medición de los dispositivos de perovskita se realiza a menudo a temperaturas superiores a las condiciones de ensayo estándar (STC, por su acrónimo en inglés).

La potencia de salida de un dispositivo fotovoltaico disminuye a medida que aumenta su temperatura, factor que se describe como coeficiente de temperatura del dispositivo. Las distintas tecnologías fotovoltaicas tienen coeficientes de temperatura diferentes. Los productos solares c-Si, por ejemplo, tienen un coeficiente de temperatura mayor que los dispositivos de capa fina. Si esto no se controla y tiene en cuenta, el resultado es una incertidumbre en la medición.

Los equipos de ensayo con control de temperatura -esencialmente una cámara con aire acondicionado- pueden reducir esta incertidumbre en el mejor de los casos. Estos sofisticados dispositivos, sobre todo si tienen la escala suficiente para albergar módulos completos, tienen un costo.

El impacto de la temperatura puede corregirse mediante modelos matemáticos basados en lecturas precisas de la temperatura y pueden tener en cuenta la incertidumbre que pueden aportar las temperaturas más altas. En el caso de los dispositivos en tándem, hay que tener en cuenta la sensibilidad a la temperatura de la célula superior e inferior, una ecuación compleja, por no decir imposible.

Implicaciones comerciales En la actualidad, las pruebas de los dispositivos de perovskita se llevan a cabo en cuestión de minutos, para tener en cuenta la metaestabilidad relacionada con la migración de iones en la célula de perovskita, de modo que puedan realizarse barridos I-V más lentos, con seguimiento de múltiples puntos de potencia (MPPT). Esto es inadecuado para la producción en serie, ya que muchos módulos tienen que salir de las líneas de producción cada minuto.

Wong, de Wavelabs, afirma que una «rutina de pruebas más pragmática» probablemente implicaría primero un preacondicionamiento del módulo mediante la inmersión en la luz, a partir de fuentes de luz de producción en masa. A continuación, se realizaría «un barrido I-V rápido con iluminación de alta calidad que debe ajustarse a las especificaciones de coincidencia espectral, uniformidad y estabilidad», explica Wong. «El barrido I-V rápido se realizará probablemente en el orden de 100 milisegundos a un segundo, durante el cual los iones se “congelan” en su distribución preacondicionada y no se redistribuyen significativamente».

Fraunhofer ISE pondrá en marcha en 2024 un proyecto de investigación de tres años que investigará cómo pueden desarrollarse y ejecutarse «mediciones rápidas y precisas» para dispositivos de perovskita, incluidos los tándems. El proyecto, abreviado «PERLE» en alemán, será financiado por el Ministerio Federal de Economía y Acción por el Clima de Alemania. Schubert, del Fraunhofer ISE, dijo que es posible que los primeros resultados del proyecto se publiquen en mayo de 2025.