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Paneles solares CdTe frente a CIGS: diferencias, rendimiento y aplicaciones

Los paneles solares CdTe y CIGS son dos tipos destacados de paneles de película delgada: el primero domina este segmento de mercado, mientras que el segundo le sigue de cerca.

Estos dos tipos de paneles tienen características, ventajas y desventajas distintas. En este artículo, los compararemos con respecto a varios aspectos que más preocuparían a los usuarios.

Recapitulando los conceptos básicos: composición, estructura y fabricación

Comprender los conceptos básicos de los paneles solares de película delgada CdTe y CIGS es crucial para comprender cómo funcionan en condiciones del mundo real y para qué aplicaciones son ideales.

Paneles solares CdTe

Diagrama: diferentes capas de un panel solar de telururo de cadmio (CdTe)
Figura #1: Capas de un panel solar de CdTe | Fuente: NREL

Los paneles solares de CdTe utilizan telururo de cadmio como material semiconductor principal para convertir la luz solar en electricidad. Al igual que otros paneles, las partes de los paneles de CdTe se pueden clasificar en muchas capas; explica detalladamente a continuación:

  • Capa de sustrato: Generalmente hecha de vidrio, la capa de sustrato proporciona soporte mecánico y protección para las capas superiores.
  • Volver Contacto: Esta capa sirve como contacto eléctrico que recoge y conduce la electricidad generada por las células. Generalmente está hecho de materiales como pasta de carbón con cobre u otros metales para crear conducción en el panel.
  • Capa Fotovoltaica: El núcleo del panel. Contiene una subcapa de telururo de cadmio (CdTe) dopada con p y una subcapa de sulfuro de cadmio (CdS) dopada con n u óxido de magnesio y zinc (MZO), que forman una unión pn para la conversión de energía.
  • Capa de costo total de propiedad: Material like fluorine-doped tin oxide (SnO₂:F) or cadmium stannate (Cd₂SnO₄) is used to manufacture the transparent conductive oxide (TCO) layer. This transparent and conductive layer enables light to flow through while carrying electricity.
  • La encapsulación: Al igual que otro tipo de paneles, la capa de encapsulación proporciona protección física a todo el conjunto.

Se emplean técnicas como la pulverización catódica, la deposición química de vapor o la sublimación en espacios reducidos para depositar diferentes capas sobre el sustrato.

La capa de CdTe se puede depositar mediante sublimación en espacios reducidos, que implica calentar el material hasta que se sublima y luego se condensa sobre el sustrato. Durante o después del proceso de deposición, se agregarán "impurezas" a las capas de CdTe y CdS para crear semiconductores de tipo p y tipo n, respectivamente, mediante dopaje. Alternativamente, se pueden utilizar dopantes como el arsénico o el fósforo. incorporado durante la síntesis a alta presión de CdTe.

El recocido se implementará después de que se hayan ensamblado todas las capas clave. Es un proceso térmico para calentar estas capas a una temperatura alta para mejorar la cristalinidad y promover la interdifusión entre las capas de CdS y CdTe.

Técnicas de fabricación como rollo a rollo procesos sobre láminas metálicas y el uso de solubles Los nanocristales de CdTe son clave para producir paneles de CdTe eficientes y rentables.

Paneles solares CIGS

'CIGS' significa seleniuro de cobre, indio y galio, que es el material semiconductor utilizado en estos paneles. Cada capa de un panel solar CIGS cumple una función específica, como se muestra a continuación.

Capas de un panel solar CIGS
Figura #2: Capas de un panel solar CIGS | Fuente: NREL
  • Capa de sustrato: Puede estar hecho de vidrio o de un polímero flexible según la aplicación. La mayoría de los productos del mercado utilizan sustratos flexibles; estos paneles pueden ser flexible o incluso enrollable.
  • Molibdeno (Mo) Volver Contacto: Normalmente se pulveriza una fina capa de molibdeno (Mo) sobre el sustrato. Esta capa actúa como electrodo trasero del panel, recogiendo portadores de carga y reflejando la luz no absorbida de regreso a la capa absorbente.
  • Capa absorbente: El núcleo de un panel CIGS es la capa absorbente hecha de una composición química que contiene elementos de cobre, indio, galio y selenio. Es el material semiconductor tipo p el responsable de absorber la luz solar y generar pares electrón-hueco.
  • Capa de búfer: Es una capa de sulfuro de cadmio (CdS) depositada encima de la capa absorbente. Esta es la capa tipo n que forma la unión pn del panel, facilitando separación de carga.
  • Capa de ventana: La capa de ventana, que generalmente consiste en un TCO, se fabrica depositando una capa de óxido de zinc intrínseco (i-ZnO) sobre la capa amortiguadora, seguido de la aplicación de una capa de compuesto AZO. Esta estructura tiene un doble propósito: proteger la capa amortiguadora subyacente contra daños, al mismo tiempo que cumple sus funciones ópticas y eléctricas.
  • *Recubrimiento antirreflejos: Muchos productos de paneles CIGS premium agregarían un revestimiento antirreflectante patentado en la parte superior para minimizar el reflejo de la luz, asegurando que lleguen más fotones a la capa absorbente.
  • La encapsulación: Esta capa proporciona protección y previene la degradación eléctrica de las capas inferiores y bloquea la entrada de humedad, lo cual es fundamental para mantener la eficiencia y la longevidad del panel. 

La fabricación de paneles solares CIGS también implica varios procesos que combinan el uso de múltiples técnicas de deposición.

La pulverización catódica es la técnica más utilizada para depositar la capa de contacto posterior sobre el sustrato. Luego, la capa absorbente de CIGS se forma mediante coevaporación, pulverización catódica o deposición electroquímica. La capa amortiguadora generalmente se deposita mediante deposición por baño químico (CBD). La capa de ventana normalmente se aplica mediante métodos como pulverización catódica o deposición de capa atómica (ALD). Mientras que el revestimiento antirreflectante se puede realizar con deposición física de vapor (PVD).

En los últimos años, los científicos también han adoptado 'selenización' y sulfurización secuencial para depositar el material CIGS. Tecnología de impresión ha sido usado y mejorado constantemente para reducir el costo de fabricación de paneles CIGS.

Paneles solares CdTe frente a CIGS: eficiencia

La eficiencia es quizás el criterio más preocupante al considerar entre la tecnología solar CdTe y CIGS.

Las mejoras en la eficiencia de los paneles de CdTe han experimentado ganancias significativas desde 20101 (Figura 3). Los paneles solares comerciales de CdTe generalmente tienen una eficiencia de entre el 17% y el 19%, que está aproximadamente a la par con la de los paneles solares promedio basados ​​en silicio. Hasta ahora, la eficiencia de laboratorio más alta registrada de paneles de CdTe es 22.1%.

Mejoras en la eficiencia del panel CdTe a lo largo de los años
Figura #3: Eficiencias de laboratorio de la célula solar de CdTe | Fuente: Erteza Tawsif Efaz et al., 2021

La eficiencia de los paneles CIGS también ha experimentado grandes mejoras. durante la ultima decada2. En comparación con los paneles de CdTe, la eficiencia media de los paneles CIGS es ligeramente inferior, situándose dentro del rango del 12% al 16%. El prototipo de panel creado por un equipo de investigación de la Universidad de Uppsala ha sido marcado como el último récord mundial, con una eficiencia de 23.64%.

Paneles CdTe versus CIGS: costo

El coste es otro criterio importante a la hora de sopesar estos paneles.

Gracias a los costos de materiales comparativamente más bajos, así como al avance en las técnicas de fabricación y la ciencia de los materiales, el precio de los paneles solares de CdTe se ha reducido, oscilando entre 0.20 y 0.35 dólares por vatio. Mientras que el precio de los paneles CIGS puede oscilar entre 0.30 y 0.50 dólares por vatio.

Como punto de referencia, el precio de los paneles basados ​​en silicio, incluidos ambos paneles mono y policristalinos, oscilan entre $ 0.30 y $ 0.70 (o más) por vatio.

En general, el precio de los productos CdTe y CIGS también puede variar más según la madurez de la tecnología y los términos de fabricación, además de la escala de implementación.

Paneles CdTe frente a CIGS: rendimiento en el mundo real

Aunque los paneles basados ​​en silicio todavía ocupan la mayor parte del mercado, las cuotas de mercado de los paneles de CdTe y CIGS están experimentando un crecimiento continuo.

Los paneles de CdTe son Conocido por su menor coeficiente de temperatura., que van desde aproximadamente -0.20%/ºC a -0.30%/ºC. Algunos productos premium pueden llegar por debajo del -0.20%/ºC. El coeficiente de temperatura de los paneles de CdTe supera al de los CIGS y a los paneles basados ​​en silicio, que comparten cifras similares. Esta resistencia implica una mejor tolerancia a la temperatura y hace que los paneles de CdTe mantengan un buen rendimiento en condiciones de alta temperatura.

Aunque se cree que coeficiente para los paneles CIGS no es tan favorable como el de los paneles CdTe, los paneles CIGS son Reconocido por su excelente flexibilidad y peso ligero.. A diferencia de los paneles tradicionales a base de silicio y la mayoría de los paneles de CdTe, estos paneles pueden doblarse e incluso enrollarse, lo que ofrece una flexibilidad excepcional cuando se implementan sobre superficies irregulares o curvas. Su propiedad liviana también brinda mayores posibilidades para adaptarse a diversas instalaciones.

Cabe destacar que los materiales primarios utilizados para fabricar paneles CdTe y CIGS son de banda prohibida directa. Esto significa que estos paneles son más fáciles de capturar y convertir energía en condiciones de poca luz, en contraste con los paneles tradicionales basados ​​en silicio con materiales de banda prohibida indirecta.

Pros y contras de los paneles CdTe y CIGS

Además de un par de características compartidas, las tecnologías de paneles solares CdTe y CIGS tienen distintos pros y contras. Aquí hay un resumen rápido para ayudar a comprenderlos mejor antes de tomar una decisión.

Ventajas de los paneles CdTe

  • Económico: Los paneles de CdTe son más fáciles de fabricar y son una de las opciones más asequibles del mercado. Generalmente cuestan menos que los paneles CIGS.
  • Alta eficiencia: Los paneles de CdTe cuentan con una eficiencia moderadamente mayor que la de los paneles CIGS y son comparables a algunos productos tradicionales basados ​​en silicio.
  • Tolerancia a altas temperaturas: Su coeficiente de temperatura más bajo permite un rendimiento más estable y un rendimiento satisfactorio en climas cálidos.
  • Tecnología de película delgada: Como tipo de tecnología de película delgada, los paneles de CdTe son más livianos y flexibles que los paneles tradicionales.

Contras de los paneles CdTe

  • Preocupaciones ambientales y de salud: El cadmio es un material tóxico que puede ser peligroso para los seres humanos y el medio ambiente si no se manipula y elimina adecuadamente.
  • Restricciones regulatorias: Debido a la toxicidad del cadmio, los productos CdTe podrían estar sujetos a regulaciones en algunas regiones.
  • Requisitos de espacio: Al no poder eclipsar aún en eficiencia a los paneles de silicio cristalino, el CdTe necesita más espacio para producir la energía esperada. 

Ventajas de los paneles CIGS

  • Flexible y ligero: Los paneles CIGS son más flexibles y livianos que los productos CdTe, lo que permite aplicaciones más amplias, sin importar si se trata de configuraciones móviles o estacionarias.
  • Estética Superior: Los contactos eléctricos invisibles y la excelente flexibilidad hacen que los paneles CIGS sean ideales para aplicaciones donde la estética y la adaptabilidad son importantes.
  • Bajo impacto ambiental: La tecnología CIGS utiliza menos cadmio en comparación con los paneles de CdTe, lo que reduce los riesgos ambientales y para la salud asociados con este elemento nocivo.

Contras de los paneles CIGS

  • Eficiencia ligeramente menor: A pesar de que su eficiencia es ligeramente inferior a la de los productos CdTe, su flexibilidad de primer nivel los convierte en la opción insuperable para muchos proyectos.
  • Precio ligeramente más alto: En general, pueden costar más que los paneles de CdTe debido a su complejo proceso de fabricación, propiedades de los materiales y control del proceso.

Paneles de CdTe y CIGS también comparten buen rendimiento en condiciones de poca luz condiciones, lo que de alguna manera mitiga algunas de sus desventajas.

Es más, aunque los paneles de CdTe y CIGS se han visto limitados por su vida útil relativamente corta y su susceptibilidad a factores ambientales, el desarrollo continuo ha llevado a mejoras significativas mediante la incorporación de materiales avanzados y técnicas innovadoras.

Palabras finales: aplicaciones ideales para paneles CdTe y CIGS 

Los paneles solares de CdTe son particularmente adecuado para proyectos solares a gran escala, que ofrece una combinación convincente de rentabilidad, buenas eficiencias más cercanas a las de los productos basados ​​en silicio y un proceso de fabricación más simple que permite una producción en masa rápida. 

Sorprendentemente, los paneles solares de CdTe también son especialmente ideales para entornos de alta temperatura. Tienen un mejor rendimiento en entornos de alta temperatura en comparación con los paneles CIGS y algunos tipos de paneles basados ​​en silicio.

Por otro lado, los paneles CIGS se pueden fabricar para tener diseños estéticamente agradables y, por lo tanto, son bueno para proyectos de energía fotovoltaica integrada en edificios (BIPV). Su flexibilidad y opciones de personalización los hacen adecuados para su integración en materiales de construcción como fachadas y techos de vidrio en proyectos comerciales o residenciales.

Además, los paneles CIGS son la energía limpia ideal. solución para aplicaciones en el mercado de consumo, Donde portabilidad está subrayado. Los productos finales pueden ser estaciones de carga móviles y equipos de camping, por nombrar algunos.

*Imagen de portada: "Gestión de cables solares fotovoltaicos flexibles de película delgada" (recortado) de campos conocidos tiene licencia CC BY-SA 2.0.

  1. Una revisión de las tecnologías primarias de células solares de película delgada (Erteza Tawsif Efaz et al., 2021) ↩︎
  2. Revisión del estado del arte de las células solares de película delgada de Cu(In,Ga)Se2 (Mohammad Anwar Omid et al., 2020) ↩︎

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