El alto rendimiento energético, el bajo costo y la confiabilidad son características óptimas de un módulo solar. Estos dispositivos semiconductores de alta tecnología deben continuar generando electricidad durante 30 o 40 años de sol, viento, granizo, nieve y calor, condiciones climáticas que hacen que los módulos se degraden lentamente y produzcan menos electricidad a lo largo del tiempo. Se calcula una degradación de 30 años para que los módulos construidos en la actualidad ya no produzcan la energía adecuada. El Consorcio de Materiales de Módulos Duraderos (DuraMAT, Durable Module Materials) está investigando ideas que podrían extender la vida útil del módulo solar hasta los 50 años.
Lanzado en noviembre de 2016 con fondos de la Oficina de Tecnologías de Energía Solar (SETO) del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE), DuraMAT es un consorcio de varios laboratorios dirigido por el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL), con los Laboratorios Nacionales Sandia y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley como laboratorios de investigación centrales. Investigadores adicionales de universidades, compañías solares, otros laboratorios nacionales estadounidenses y un consejo asesor de la industria ofrecen diferentes perspectivas de toda la comunidad de energía solar.
En concreto, DuraMAT tiene cinco objetivos principales. Ofrece una fuente central de datos, en la que recopila y difunde datos relacionados con la confiabilidad de los módulos fotovoltaicos y aplica la ciencia de datos para obtener nuevos conocimientos. Otro objetivo es desarrollar herramientas de modelado para escalar rápidamente los resultados de las pruebas aceleradas y evaluar cuantitativamente los impactos y los modos de degradación de los nuevos materiales y diseños fotovoltaicos.
Como tercer objetivo, el consorcio se enfoca en la ciencia de la aceleración disruptiva: la comprensión de cómo los materiales, módulos y sistemas fotovoltaicos funcionarán al aire libre en función de condiciones experimentales relativamente agresivas. En cuarto lugar, estudia el análisis forense de módulos de campo y, finalmente, el quinto objetivo de las soluciones de materiales de DuraMAT aprovecha las capacidades técnicas de todos sus socios para diseñar, desarrollar y eliminar el riesgo de materiales que aborden los desafíos actuales de confiabilidad en los sistemas fotovoltaicos.
Después de cinco años de investigación sobre la confiabilidad de los módulos solares y otorgar 30 millones de dólares en proyectos de alto impacto, SETO ha concedido 36 millones adicionales a DuraMAT para seis años más de financiación a partir de 2021. En la actualidad, el consorcio trabaja en una segunda fase.
Ideas para extender la vida útil del módulo solar hasta los 50 años
DuraMAT está explorando ideas que podrían extender la vida útil del módulo solar hasta los 50 años. Para ello, investiga nuevas variaciones de tecnologías de módulos y celdas, como módulos bifaciales que también recolectan la luz reflejada en sus partes traseras, o nuevas celdas de alta eficiencia para durar más de 30 años.
El consorcio ha desarrollado pruebas de estrés aceleradas de los módulos basadas en las condiciones ambientales observadas en diferentes climas. Estas pruebas se combinan con un análisis forense de ciencia de materiales y modelos físicos detallados de las fallas para comprender mejor qué causa la degradación del módulo, con el objetivo final de predecir cuándo fallarán. Además, DuraMAT recopila los datos resultantes en un depósito central de datos compartidos (DuraMAT Data Hub) y aplica sus conocimientos para desarrollar enfoques nuevos y creativos para mejorar la durabilidad del módulo.
El objetivo final es predecir mejor cómo funcionarán los nuevos materiales y los diseños de módulos, generando la confianza de que durarán más de 30 años, a pesar de la falta de datos de campo existente a largo plazo en cuanto a las nuevas tecnologías. Los datos muestran que las tecnologías fotovoltaicas más antiguas son duraderas, y DuraMAT está aplicando ese conocimiento para hacer predicciones más precisas sobre tecnologías más nuevas.
Pruebas de estrés de los módulos solares
DuraMAT desarrolla pruebas de estrés combinadas y aceleradas. Los investigadores han descubierto que los factores estresantes a menudo deben aplicarse en combinación para obtener resultados relevantes de forma más rápida. Aunque las pruebas de esfuerzo combinadas no son una idea completamente nueva, DuraMAT las ha llevado a un nuevo nivel. En cámaras controladas en las instalaciones de prueba al aire libre de NREL, los módulos fotovoltaicos están sujetos a múltiples factores estresantes, como temperaturas extremas, agua y exposición a la luz ultravioleta para simular en unas pocas semanas o meses lo que sucede en el exterior real durante años.
Otras pruebas se dirigen a simular otras tensiones, por ejemplo, cómo años de exposición al viento podrían expandir las grietas en las células fotovoltaicas. Para comprender mejor los mecanismos que provocan estas fallas, DuraMAT combina esa información con el modelado por ordenador y el análisis de materiales microscópicos de los módulos solares que fallaron en el campo.
En el marco de DuraMAT, un equipo de científicos principiantes combinó la experiencia de varios laboratorios para desarrollar un método para predecir qué materiales de la lámina trasera se agrietarían en el campo en base a pruebas aceleradas. La industria experimentó un lote bastante grande de fallas de módulos (aproximadamente 10 GW) debido a un nuevo material de lámina posterior que se usó ampliamente entre los años 2010 y 2015. Este material comenzó a agrietarse después de algunos años, a pesar de pasar las pruebas de todos los estándares de la industria. La falla del material obligó a los desarrolladores de fotovoltaica a reemplazar los módulos con la lámina posterior defectuosa. El uso de láminas posteriores buenas y malas conocidas permitió al equipo de DuraMAT desarrollar un procedimiento para validar nuevas secuencias de prueba. Ahora, el equipo está examinando otros tipos de materiales y diseños de módulos.
Segunda fase de DuraMAT
Tras comenzar desde cero hace cinco años, DuraMAT ha tenido un buen comienzo en la segunda fase ya que muchos proyectos han sido adjudicados, de los 36 millones de dólares de financiación total disponible para el trabajo del consorcio en la segunda fase.
Los objetivos de DuraMAT para los años 2022–2027 incluyen investigar qué materiales fotovoltaicos y diseños de módulos permitirán desarrollar módulos de 50 años sostenibles y de alto rendimiento energético, además de asegurar que estos nuevos módulos no fallen prematuramente. También se incidirá en investigar qué desencadena el desgaste, definido como un rápido aumento de la degradación al final de la vida útil, y cuáles son las características de degradación a largo plazo en los módulos fotovoltaicos.
DuraMAT organiza seminarios web mensuales para compartir el trabajo reciente de los colaboradores y ofrecer a la comunidad de investigación fotovoltaica la oportunidad de participar en direcciones de investigación futuras. El próximo webinar tendrá lugar el 11 de abril, bajo el título ‘Análisis de datos para energía solar fotovoltaica: estudios de casos en imágenes EL y reanálisis de datos de campo’, presentado por Xin Chen y Baojie Li, del Laboratorio Lawrence Berkeley.
En la actualidad, gran parte de la investigación continúa enfocándose en la confiabilidad y durabilidad. Los responsables de DuraMAT explican que ahora se está cambiando el énfasis hacia las pruebas predictivas y los métodos de modelado que permitirán evaluar la confiabilidad de manera más rápida y precisa en las nuevas tecnologías. El objetivo es comenzar a predecir la vida útil del módulo y cómo eso podría dar forma a la cadena de suministro de materiales para los módulos solares. Con un enfoque en el modelado predictivo de la vida útil, se aspira a la posible comercialización de módulos con una vida útil de 50 años.