Opinion · Un poco de ciencia, por favor

El rey del mercado fotovoltaico: el silicio

Ignacio Mártil
Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

La energía está de moda. Las amenazas que representa el cambio climático, las propuestas de la UE para reducir drásticamente las emisiones de CO2 para 2030 o los acuerdos de la Cumbre del Clima de Paris de diciembre de 2015 −que tendrán su continuidad en la Cumbre del Clima de Katowice, que se celebra esta semana en esa ciudad polaca−, son elementos que, unidos a otros factores, hacen que nos hallemos inmersos en una auténtica transición energética, que también podría calificarse de revolución.

Uno de los protagonistas de este proceso es y será cada vez con mayor protagonismo, la energía solar fotovoltaica. El auge de esta fuente energética desde comienzos del presente siglo es sencillamente espectacular: primero en Europa, después en EEUU y en los últimos años, de manera abrumadora en China. Aunque hoy en día su participación en la producción de energía eléctrica en el mundo es muy reducida (apenas representa el 1.5 % del total), nadie duda de su relevancia y papel protagonista en el inmediato futuro.

Imagen tomada por satélite del huerto solar mayor del mundo en la actualidad, situado en Zhongwei, Ningxia, en la región autónoma de Mongolia, en China. Con 1.547 MW de potencia, ocupa una extensión de 43 km². A la instalación se la conoce como la “Gran Muralla Solar”. Fuente: Danny Scrivner, Pager Power, 27-mayo-2018  [1]

En varios artículos publicados en este blog, he descrito las bases científicas de esta fuente energética, así como algunas singularidades del mercado de los dispositivos fotovoltaicos. En este voy a analizar las capacidades y limitaciones de la tecnología dominante y las alternativas existentes a la misma.


1. El papel del silicio en el mercado fotovoltaico actual: ventajas

El mercado solar fotovoltaico está dominado abrumadoramente por las células solares de silicio, más del 95% de los módulos fotovoltaicos que se venden en la actualidad se fabrican con este semiconductor, lo que se debe a una confluencia de factores que concurren en este elemento químico:

1.1 Es el elemento sólido más abundante en la corteza terrestre, ya que cerca del 28% de la composición química de la misma es silicio, lo que se refleja en la siguiente figura que muestra la escasez/abundancia relativa de los diversos elementos de la Tabla periódica: 

El cubo de la figura representa la distribución de un millón de átomos, en las mismas proporciones que se encuentran en la corteza terrestre

1.2 La tecnología de fabricación de las células solares de silicio es muy madura, ya que es heredera directa de la tecnología microelectrónica, que ha propiciado la revolución silenciosa más importante del siglo XX, alumbrando lo que hoy conocemos como la sociedad de la información.

1.3 Las eficiencias de conversión de los módulos comerciales llegan a alcanzar valores homologados por encima del 22%, muy cercanas a las eficiencias de las células de laboratorio (record mundial de 26.6%)

1.4 Fruto del espectacular avance habido en esta fuente de energía en la última década, el precio del vatio solar se sitúa hoy en el entorno de los 0.3 €/W, lo que la hace plenamente competitiva en costes con los combustibles fósiles.

De hecho, la “hoja de ruta” diseñada por los grandes fabricantes de módulos de silicio (ITRPV), prevé que esta tecnología continúe en expansión durante la siguiente década por lo menos, siendo además la tecnología hegemónica en los próximos años.

El siguiente video muestra las diferentes fases de instalación del huerto solar situado en Social Circle, Georgia, EEUU. Tiene una potencia de 38.6 MW y emplea módulos de silicio:

2. Limitaciones del silicio como semiconductor para su uso en dispositivos fotovoltaicos

Sin embargo, la tecnología de los dispositivos basados en silicio tiene algunos problemas de calado, que incentiva la búsqueda de alternativas que permitan superarlos. Entre otras, las principales limitaciones a las que se enfrenta la tecnología de silicio son las siguientes:

2.1 El elevado coste energético de obtención del silicio de la calidad y pureza necesaria para fabricar células solares. El silicio se encuentra en la naturaleza en forma de compuestos (esencialmente SiO2), por lo que hay que separarlo y posteriormente purificarlo. Este proceso es muy costoso en términos energéticos, lo que dificulta y encarece el precio del producto final; lo he descrito con detalle en este artículo.

2.2 Desde el punto de vista estrictamente científico, el silicio no es el semiconductor más adecuado para obtener una óptima eficiencia de conversión de la energía solar en energía eléctrica. Esto se debe a una razón esencial: la mejor eficiencia se alcanza mediante la adecuada combinación entre la cantidad de corriente y de tensión que una célula solar genera; los valores de ambos factores son contrapuestos, ya que si genera mucha corriente, produce poca tensión y viceversa. Para que ambos factores sean óptimos, es preciso que el valor de un parámetro esencial del semiconductor, denominado “gap” de energía prohibida [2], este próximo a 1.5 eV; este parámetro en el silicio es de 1.12 eV, lo que limita su potencial de eficiencia.

2.3 Aunque en la actualidad las células solares de silicio dominan el mercado fotovoltaico mundial, su eficiencia de conversión de la energía solar en energía eléctrica durante los últimos 15 años apenas ha progresado desde el 25% al 26.6%, lo que significa que la industria está interesada en explorar alternativas, ya que esta tecnología está cerca de alcanzar su límite.

En un próximo artículo, analizaré las tecnologías alternativas al silicio que hoy en día han alcanzado desarrollo comercial, basadas en dos semiconductores diferentes: CdTe y CuInGaSe2. En definitiva, daré algunos detalles de quienes son los que aspiran a “destronar” al eterno Rey de la tecnología electrónica en general y de la fotovoltaica en particular desde hace varias décadas, el silicio.

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[1] Se puede ver con detalle la instalación a través de la aplicación Google Maps en las coordenadas: 37°33′00″N; 105°03′14″E

[2] El “gap” de energía prohibida es un concepto que proviene de la física cuántica. De una forma muy cualitativa, es la energía que hay que comunicar a los electrones ligados por los enlaces a los átomos que componen el semiconductor, para que puedan circular por este en presencia de un agente externo (un campo eléctrico, una diferencia de temperatura) que les permita moverse. Se mide en una unidad denominada electrón-voltio (eV), que es la energía que adquiere un electrón cuando se somete a una diferencia de potencial de un voltio.