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

(El contenido de este post está recogido de forma más amplia y detallada en el Capítulo 4 de mi libro: "Energía solar. De la utopía a la esperanza", Guillermo Escolar Ediciones, Madrid, 2020)

En el artículo anterior de este blog, analicé las aplicaciones de las células solares de multi-unión al entorno espacial. En este voy a mostrar las posibilidades que hay para que esta tecnología pueda utilizarse en Tierra para generar energía eléctrica a costes competitivos.

Imagen obtenida por microscopía electrónica (izquierda) y corte esquemático (derecha) de una célula solar de 6 uniones, la más eficiente del mundo hasta la fecha (47.1%), fabricada en el National Renewable Energy Laboratory de Estados Unidos. La complejidad de la estructura y de su procedimiento de fabricación son extraordinarios

1. Los orígenes de la idea

La investigación sobre la energía solar fotovoltaica de concentración con la intención de utilizarla en Tierra se ha llevado a cabo desde mediados de la década de 1970, impulsada inicialmente por el embargo en el suministro de petróleo a numerosos países occidentales a consecuencia de la Guerra del Yom Kipur.

El primer sistema de concentración fotovoltaica se instaló a fines de esa década por parte de Sandia National Laboratories en Albuquerque, Nuevo México. Ese sistema era un concentrador que utilizaba una lente de Fresnel que se enfocaba en células de silicio refrigeradas por agua y seguimiento del Sol de dos ejes (el significado de esto lo describiré más adelante en el siguiente punto). La refrigeración de las células de silicio y el uso de lentes Fresnel sobre vidrio fue demostrada en 1979 por el Proyecto Ramón Areces en el Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid.

La investigación y el desarrollo continuaron durante los años 80 y 90 sin un interés significativo por parte de la industria. Pronto se reconoció que las mejoras en la eficiencia de las células era esencial para hacer viable económicamente la tecnología. Sin embargo, las mejoras obtenidas en las tecnologías de células solares basadas en Si supusieron un freno al desarrollo de este nuevo enfoque del problema. A principios del presente siglo, la introducción de las células solares de unión múltiple basadas en semiconductores compuestos de los grupos III y V de la Tabla Periódica, ha proporcionado una sustancial mejora e impulso a esta tecnología.

2. Aplicaciones terrestres de las células multi-unión

De cara a poder utilizarlas en aplicaciones terrestres a costes competitivos, la única posibilidad que tiene esta tecnología es incorporarla en los denominados sistemas de concentración  (CPV; Concentrated PhotoVoltaic) de la radiación solar.

 2.1 ¿Cómo concentrar la radiación solar?

En esencia, un sistema de concentración es un dispositivo óptico integrado por lentes y espejos, mediante los que se concentra la luz del Sol en una célula de muy alta eficiencia y área muy reducida. Es decir, con los sistemas de concentración se substituyen materiales de alto coste (las células solares de multi-unión), por materiales de bajo coste (lentes y espejos). La siguiente figura muestra esquemáticamente el concepto de concentración y su utilidad:

Izquierda: una lente concentra los rayos del Sol en la superficie de una célula solar colocada en su foco, de forma que recibe una radiación equivalente a 500 veces la del Sol. Derecha: beneficio de la concentración, una célula de tamaño reducido y alta eficiencia (en la parte inferior) produce tanta energía como siete células de silicio iluminadas normalmente

La idea es ciertamente muy atractiva y hay fabricantes que comercializan estos dispositivos para obtener concentraciones del orden de 500 veces la radiación solar. Los sistemas que utilizan altos valores de concentración de la radiación del Sol poseen la mayor eficiencia de todas las tecnologías fotovoltaicas existentes, alcanzando cerca del 40% para los módulos de producción. En laboratorio, se han obtenido eficiencias del 47%.

Los sistemas de concentración modernos funcionan de manera más eficiente con luz solar altamente concentrada (es decir, niveles de concentración equivalentes a cientos de soles), siempre que la célula solar se mantenga fría mediante el uso de disipadores de calor. Además, la luz difusa que se produce en condiciones de cielos nublados no puede concentrarse mucho si únicamente se utilizan componentes ópticos convencionales (es decir, lentes y espejos). Por otra parte, la luz filtrada, que se produce en condiciones de niebla o contaminación, impide que las células multi unión funcionen a todo su potencial. Todos estos factores hacen que los sistemas fotovoltaicos que trabajan en concentración presenten reducciones acusadas en la producción de energía cuando las condiciones atmosféricas no son las ideales. Por todo ello, para producir una energía por vatio mayor que la que producen los sistemas fotovoltaicos convencionales, los sistemas de concentración deben ubicarse en áreas geográficas que reciban abundante luz solar directa. Por lo general, esto se concreta en una irradiancia directa superior a 5.5-6 kWh/m².día o 2000-2100 kWh/m².año, valores que solo se alcanzan en las regiones desérticas del planeta, comprendidas entre ambos Trópicos. En España esos niveles solo se obtienen en Almería.

2.2 Seguimiento del Sol

El otro aspecto clave para la utilización de los dispositivos de multi-unión en la Tierra es realizar la instalación mediante un sistema de seguimiento del Sol. Esto, que no es específico de los dispositivos multi unión, ya que hay huertos solares de paneles de silicio dotados de esta arquitectura, es imprescindible en el caso de los sistemas equipados con las células multi-unión. Con el fin de maximizar su ventaja sobre las células tradicionales y, por lo tanto, ser competitivos en costes, los sistemas de concentración tienen que seguir al Sol en su movimiento para mantener la luz concentrada en la célula y rendir la máxima eficiencia durante el mayor tiempo posible. La siguiente figura muestra los posibles sistemas de seguimiento del Sol.

Izquierda: diversos sistemas de seguimiento del sol de uno o dos ejes. Derecha: Huerto solar con paneles fotovoltaicos dotados de un sistema de seguimiento de doble eje

Y en la siguiente figura se muestra la influencia que tiene el sistema de seguimiento en la cantidad de energía que suministra una determinada instalación comparada con la que produciría sin disponer del seguimiento solar.

Aporte extra de energía en sistemas fotovoltaicos con seguimiento del Sol. Los beneficios se obtienen sobre todo a primera y a última hora del día

3. Posibilidades y limitaciones

El uso de esta tecnología en grandes huertos solares es, hoy por hoy testimonial, ya que hay instalados en todo el mundo aproximadamente 350 MW, que representan menos del 0.05% de la potencia fotovoltaica total instalada en la actualidad (850 GW a finales de 2021).

El argumento principal en favor de la utilización en tierra de las células multi-unión en sistemas de concentración es que el elevado coste de las células estaría más que compensado con la reducción en el número total de células necesarias para obtener una determinada cantidad de energía. Sin embargo, la mayor desventaja de los sistemas de concentración, como ya se ha dicho, es que la eficiencia global disminuye drásticamente cuando las condiciones de iluminación no son las óptimas. La siguiente figura muestra un sistema que engloba estos dos conceptos: seguimiento y concentración.

Izquierda: Panel fotovoltaico dotado de un sistema de seguimiento de doble eje y de lentes de Fresnel para concentrar la radiación solar en las células, no visibles en la imagen. Derecha: Célula solar de multiunión para sistemas de concentración solar. La de la imagen tiene 1 cm² de tamaño y es capaz de suministrar ~40 W a 1100 soles (una célula de silicio de un tamaño equivalente produciría ~0.025 W a un sol)

El siguiente vídeo muestra una planta solar en la que los paneles tienen incorporado un sistema de seguimiento del Sol de doble eje:

Y en este otro vídeo explico las características principales de las células de multi-unión:

La fotovoltaica concentrada compite directamente con la energía solar termoeléctrica (CSP, Concentrated Solar Power ), ya que ambas tecnologías son más adecuadas para áreas con alta irradiancia normal directa, CPV y CSP a menudo se confunden entre sí, a pesar de ser tecnologías intrínsecamente diferentes: CPV utiliza el efecto fotovoltaico para generar directamente electricidad a partir de la luz solar, mientras que la CSP, a menudo denominada termosolar concentrada, utiliza el calor de la radiación solar para producir vapor que impulse una turbina, que luego produce electricidad mediante un generador.

4. ¿Son viables las células de multi unión en aplicaciones terrestres?

Las tecnologías de multi-unión han conseguido fabricar dispositivos de eficiencias comparables e incluso superiores a las tecnologías fósiles más eficientes, ya que las centrales térmicas convencionales alimentadas por carbón tienen eficiencias energéticas del orden del 30% y las centrales de ciclo combinado, que son las más eficientes, del 40-45%. La tecnología que hace posibles las células multi-unión es una verdadera demostración de hasta dónde puede llegar la industria electrónica persiguiendo un determinado objetivo; en este caso, alta eficiencia energética. El problema principal para su utilización a gran escala es su elevado coste actual, razón por la cual, hoy por hoy, no parecen una alternativa viable a las tecnologías fotovoltaicas comerciales.