Con el objetivo de desarrollar células fotovoltaicas transparentes altamente eficientes para aplicaciones fotovoltaicas integradas en edificios (BIPV, por sus siglas en inglés), los expertos del proyecto CITYSOLAR han desarrollado una estrategia para la producción de células fotovoltaicas en tándem, capaces de absorber diferentes longitudes de onda de luz solar, mediante la combinación de células fotovoltaicas de perovskita con células fotovoltaicas orgánicas, permitiendo alcanzar una eficiencia de conversión superior al 15%.
Aunque ya es posible fabricar células fotovoltaicas transparentes para ventanas, su eficiencia de conversión hasta ahora era baja en comparación con la tecnología fotovoltaica convencional. El proyecto CITYSOLAR se propuso cambiar esta situación combinando dos tecnologías fotovoltaicas en una configuración en tándem, en un trabajo conjunto que ha tenido una duración de tres años y medio.
El proyecto finalizó en abril de 2024, y ha tenido un coste de 4.765.768,75 euros, con una subvención de 3.779.242 euros procedente del programa europeo Horizon 2020.
Ha sido coordinado por el Consejo Nacional de Investigación (CNR) de Italia, con la colaboración de otras nueve entidades procedentes de Suiza, Alemania, Dinamarca, Francia, Canadá, Arabia Saudí e Italia. De esta manera, CITYSOLAR ha reunido a actores académicos e industriales europeos, junto con dos socios de fuera de la UE que pertenecen a la iniciativa Mission Innovation, especializados en la síntesis de materiales avanzados para células solares híbridas y orgánicas.
Energía fotovoltaica transparente para ventanas
La energía fotovoltaica transparente (TPV, por sus siglas en inglés) posee un enorme potencial en la captación de energía solar, y puede integrarse fácilmente en las ventanas de edificios, apoyando así el desarrollo de edificios de consumo energético casi nulo. Por tanto, la TPV puede desempeñar un papel crucial para la transformación sostenible del sector energético en las grandes ciudades. Sin embargo, con la energía fotovoltaica convencional no es posible fabricar elementos TPV sin grandes pérdidas de eficiencia.
En este contexto, el proyecto CITYSOLAR ha desarrollado un nuevo concepto de TPV aprovechando el uso combinado de tecnologías fotovoltaicas emergentes, es decir, módulos solares de unión múltiple desarrollados a partir de perovskita de luz ultravioleta cercano y células solares orgánicas de infrarrojo cercano. Siguiendo esta línea, CITYSOLAR perseguía modificar los límites de rendimiento de las células solares híbridas, reduciendo significativamente las pérdidas relacionadas con la absorción de la luz y ampliando la escala de las células solares individuales a los módulos multiunión.
Su objetivo final era el desarrollo de células y módulos fotovoltaicos altamente eficientes y transparentes para aumentar en un 50% el rendimiento de las tecnologías TPV disponibles para su uso en aplicaciones fotovoltaicas integradas en edificios (BIPV).
Las células solares en tándem monolíticas convencionales de base orgánica y perovskita se fabrican secuencialmente a pequeña escala (< 1,0 cm2) sobre un único sustrato, lo que impone una serie de restricciones que dificultan su desarrollo para aplicaciones en el mundo real. En este proyecto, los investigadores han desarrollado una estrategia para superar estas limitaciones, y que tiene el potencial de facilitar la fabricación de dispositivos tándem de película delgada a escala industrial.
Para ello, se conectaron en serie células solares de perovskita y orgánicas haciendo coincidir su corriente de cortocircuito mediante el ajuste fino del ancho de la subcelda de la célula orgánica, lo que condujo a una eficiencia de conversión en tándem de hasta el 14,94% para un área de apertura de 20,25 cm2. Esta eficiencia fue mayor que la de las células solares individuales de perovskita (6,69%) y orgánicas (12,46%).
Búsqueda de materiales para maximizar la eficiencia de conversión
En primer lugar, los investigadores realizaron una evaluación y síntesis de pares complementarios de materiales donantes y aceptores de electrones para su uso como componentes de mezcla fotoactiva en dispositivos fotovoltaicos transparentes, seleccionando así los materiales más prometedores en células solares orgánicas de infrarrojo cercano. Con respecto a la capa de transporte para la célula solar de perovskita de ultravioleta cercano, se han examinado varias familias moleculares para identificar la más prometedora en términos de propiedades optoelectrónicas y versatilidad sintética.
A continuación, varios socios del consorcio crearon una plataforma de caracterización completa e integral, destinada a investigar las propiedades fundamentales y el principio de funcionamiento de los materiales y células fotovoltaicas. Los hallazgos experimentales también fueron respaldados por simulaciones ópticas con el fin de encontrar pautas de diseño para alcanzar una alta eficiencia.
Después, los expertos trabajaron en el desarrollo y optimización de los procesos de fabricación, y descubrieron niveles de eficiencia de conversión de hasta el 6% y de transmitancia visible promedio del 38% utilizando la arquitectura NIP planar. También demostraron el enorme potencial de la perovskita FAPbBr3 a partir de técnicas de procesamiento de solución, como el recubrimiento por centrifugación. Así, desarrollaron células solares de heterounión en masa con alta transparencia, neutralidad de color y alta eficiencia de conversión.
La fabricación de células solares transparentes en CITYSOLAR para aplicaciones BIPV mostró valores muy similares a los predichos por las simulaciones. Para mejorar aún más estos valores, se incluyeron sistemas de gestión de la luz en las simulaciones. También se realizó la optimización del escalado, lo que permitió producir módulos fotovoltaicos de área grande con eficiencias similares a las obtenidas con células solares de laboratorio de área pequeña.
Estrategia de fabricación de módulos fotovoltaicos para aplicaciones BIPV
La tecnología fotovoltaica multiunión de CITYSOLAR se basa en una perovskita de haluro de luz ultravioleta cercano en la celda superior y una célula fotovoltaica orgánica de infrarrojo cercano en la celda inferior. Los módulos fotovoltaicos se fabrican de forma independiente sobre sustratos rígidos o flexibles y luego se laminan juntos con capas intermedias adecuadas para fabricar una estructura multiunión de dos terminales.
Este enfoque, que extiende la técnica de unión de obleas utilizada para células multiunión de alta eficiencia, permite fabricar células y módulos solares sin las limitaciones de fabricación impuestas por el módulo inferior, simplificando enormemente la fabricación del dispositivo fotovoltaico. En este contexto, el proceso de laminación representa un paso crucial, según indican los investigadores, ya que debe garantizar la transparencia óptica, la resistencia mecánica y la conexión eléctrica.
La configuración de dos terminales se realizó empleando un esquema innovador que resuelve los problemas relacionados con el equilibrio entre el módulo superior y el módulo inferior, permitiendo finalmente que el módulo fotovoltaico transparente de gran superficie pueda ser integrado en un elemento BIPV para su futura aplicabilidad en ventanas de edificios sostenibles.
En definitiva, CITYSOLAR aúna la innovación de materiales, un nuevo concepto de célula solar multiunión fabricada con absorbentes selectivos con la propiedad de reducir el impacto de la luz en el rango visible, técnicas avanzadas de gestión de la luz para mejorar la eficiencia sin afectar a la transparencia y una integración innovadora entre células fotovoltaicas y soluciones BIPV.