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Innovadora tecnología solar CdTe: Paneles transparentes (BIPV)

El panel solar de CdTe (telururo de cadmio) es una rama importante de la tecnología solar de película delgada. Algunas de sus ventajas en comparación con los paneles c-Si tradicionales han llevado a su adopción cada vez mayor en los segmentos industrial, comercial y residencial, representando alrededor de 5-6% de la cuota de mercado mundial de paneles.

Es notable que varias propiedades distintivas de la tecnología CdTe estén contribuyendo significativamente al avance de los revolucionarios "paneles solares transparentes".

Analicemos por qué y cómo se aplica la tecnología CdTe a los paneles transparentes y sus ventajas y desventajas.

De pie frente a paneles solares transparentes basados ​​en CdTe

Comenzando con los conceptos básicos de CdTe

Repasar los conceptos básicos de la tecnología CdTe es fundamental para comprender los paneles transparentes que se construyen sobre ella.

Las células de CdTe utilizan telururo de cadmio como material semiconductor para convertir la luz solar en electricidad. Algo similar a la estructura de las células CIGS, las células de CdTe suelen utilizar una fina capa de CdS como capa de tipo n, que se coloca encima de la capa de CdTe para crear una heterounión pn, es decir, el material fotovoltaico. Otras capas que comprenden una estructura celular de CdTe también incluyen:

  • Encapsulante: Una capa que protege las capas inferiores de la célula de la humedad y la degradación.
  • Capa de óxido conductor transparente (TCO): Generalmente se elabora depositando SnO2:F o un material similar. Esta capa sirve como electrodo frontal, permitiendo la entrada de luz mientras conduce la electricidad.
  • Contacto Eléctrico Atrás: Comúnmente es una capa de telururo de zinc (ZnTe). Esta capa también requiere la deposición de una capa de metal o pasta de carbón que introduce cobre (Cu) en la parte trasera de la celda.
  • sustrato: Esta es la base celular sobre la que se depositan otras capas, proporcionando soporte estructural. Puede ser vidrio u otros materiales flexibles.

El desarrollo de paneles solares transparentes

Los paneles solares transparentes se consideran una tecnología innovadora que tiene como objetivo recolectar energía solar sin obstruir la entrada de la luz solar al interior, cumpliendo la doble función de generador de energía limpia y ventana para la estructura.

Si bien la investigación sobre esta tecnología de paneles ha evolucionado en las últimas décadas, era sólo a partir de 2014 que el equipo de investigación de la Universidad Estatal de Michigan (MSU) inventó lo que se reconoce como la primera versión de "paneles solares transparentes". Este hito comenzó a proporcionar un tremendo impulso a la tecnología y a estimular avances significativos en su desarrollo.

Aunque es aceptable llamarlos "paneles solares transparentes", no son auténticamente transparente Paneles de vidrio fotovoltaicos. 

El término formal para la tecnología de MSU es concentrador solar luminiscente transparente (TLSC). Físicamente hablando, utiliza pequeñas moléculas orgánicas innovadoras a recoger Las longitudes de onda invisibles de la luz solar en el ultravioleta y el infrarrojo cercano, las 'hacen brillar' en otra longitud de onda en el infrarrojo, luego la guían hasta el borde del panel donde se convierte en electricidad a través de delgadas tiras fotovoltaicas.

La eficiencia de conversión inicial de esta tecnología es aproximadamente del 1%. A través de la optimización continua del diseño de TLSC, la tecnología de panel transparente de MSU ha registrado eficiencias. por encima de 5%.

Cableado de paneles solares transparentes recién instalados
Cableado de paneles solares transparentes recién instalados. | Fuente: MSU

Sin embargo, lograr avances sustanciales en la eficiencia de los paneles solares altamente transparentes parece ser un desafío, en gran parte debido a la restricción inherente impuesta por su principio central: convertir ondas invisibles y dejar ir las ondas visibles. 

Esto, por otro lado, está abriendo otra ruta dentro de la 'hoja de ruta transparente': los paneles solares semitransparentes.

En pocas palabras, los paneles solares semitransparentes hacen algunos compromisos en materia de transparencia para dejar espacio para mejoras de eficiencia. Al lograr un equilibrio entre transparencia y eficiencia para adaptarse a diferentes casos de uso, estos paneles pueden variar en transparencia, y algunos llegan a ser casi transparentes.

¿Por qué se aplica la tecnología CdTe a los paneles solares transparentes?

Con la connotación ampliada de tecnología de paneles transparentes, los investigadores están explorando el uso de otros materiales para crear estos paneles.

Una de ellas es la tecnología de células CdTe.

Excelente espesor

En primer lugar, las células de CdTe son conocidas por sus capas absorbentes más delgadas, dentro del rango de 2 a 10 micrómetros (μm). Este espesor es considerablemente más delgado que el de las celdas tradicionales de c-Si, con un rango de espesor de 100-200 μm

Los investigadores descubrieron que las células CdTe fabricadas con un cierto espesor de absorbente puede resultar en un mejor rendimiento. En algunos casos, alterar la concentración de ciertos elementos en la capa absorbente puede llevar a que el espesor se acerque o incluso esté por debajo del extremo inferior del rango promedio, pero esto a veces sacrificará la eficiencia.

En otras palabras, el excelente espesor hace que la tecnología CdTe sea otra buena opción para crear paneles solares transparentes. Los expertos son capaces de fabricar estos paneles con porcentajes de transparencia variables aplicando compensaciones entre espesor (transparencia) y eficiencia.

Alta eficiencia en condiciones de poca luz

En segundo lugar, las células de CdTe demuestran un rendimiento excelente en condiciones de poca luz. Esta propiedad se adapta bien a las condiciones de luz y variables ambientales de los lugares donde se instalan los paneles transparentes.

En entornos urbanos, los edificios y otras estructuras pueden crear sombras, mientras que niveles relativamente más altos de contaminación y partículas pueden absorber y dispersar la luz solar. Ambos factores pueden reducir la cantidad de luz solar directa que llega a los paneles transparentes durante el día. El rendimiento de las células CdTe en condiciones de poca luz puede compensar parcialmente esta negatividad.

Coeficiente de temperatura inferior

En tercer lugar, las zonas urbanas suelen pasar por el "isla de calor urbano", donde las temperaturas son más altas que en las zonas rurales circundantes. Las temperaturas más altas pueden reducir la eficiencia de las células solares, en referencia al coeficiente de temperatura de los paneles; las células de CdTe no están exentas.

Sin embargo, las celdas de CdTe tienen un coeficiente de temperatura más bajo, típicamente en el rango de -0.20%/ºC a -0.25%/ºC en comparación con el de las celdas de c-Si, típicamente en el rango de -0.30%/ºC a -0.50%/ºC. ºC. También se considera que esto ayuda a mitigar parcialmente el impacto de su menor eficiencia.

Tecnología probada con bajo costo de producto

Por último, pero no menos importante, la tecnología solar CdTe ocupa el segundo lugar después de la c-Si como una de las tecnologías fotovoltaicas más comunes. El proceso de fabricación de los paneles de CdTe es más sencillo y menos costoso que el de los paneles de C-Si y otros tipos de la familia de paneles de película delgada. Esto no sólo refuerza la competitividad de estos paneles solares transparentes basados ​​en CdTe, sino que también sienta las bases para un futuro uso comercial a gran escala en zonas urbanas.

Los paneles transparentes basados ​​en CdTe generalmente se fabrican obteniendo el panel de CdTe intercalado entre dos piezas de vidrio templado.

Estos paneles solares transparentes también se pueden fabricar a medida, ya sea en diferentes formas y tamaños o teñidos con colores, para adaptarse al atractivo único de los sitios donde se instalan, como museos y centros de exposiciones.

Veredicto final

La utilización de tecnología solar madura de CdTe en la fabricación de paneles solares transparentes abre un potencial significativo, proporcionando una solución inteligente y tangible para la "solarificación" en ciudades donde los grandes espacios abiertos y los espacios en los tejados son limitados pero abundan las superficies de vidrio.

Es de destacar que existen cerca de diez mil millones de metros cuadrados de superficies de vidrio sólo en los Estados Unidos!

Un mayor desarrollo de esta nueva tecnología abarca el avance de la eficiencia y, al mismo tiempo, garantiza una transparencia excepcional, fomentando el diseño personalizado y la implementación de un sistema integral.sistema de generación de energía solar transparente', y construir una cadena de reciclaje integral para manejar elementos no amigables.

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