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Paneles solares de película delgada CIGS: una guía detallada + estado del mercado

La tecnología de celdas solares de película delgada es la segunda generación de celdas solares fotovoltaicas (PV), que presenta un semiconductor delgado que va desde unos pocos nanómetros hasta micrómetros. Uno de los tipos más populares de tecnología solar de película delgada es el seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS). Se ha demostrado que las celdas solares CIGS brindan una alta potencia de salida, son rentables y cuentan con un CO más bajo2 huella, y tienen varios otros beneficios.

Si está interesado en obtener más información sobre las células solares CIGS, los beneficios de esta tecnología o el estado de crecimiento actual de los paneles solares CIGS en el mercado, este es el artículo adecuado para usted.

Aquí revisará los conceptos básicos de esta tecnología, conocerá sus ventajas y desventajas, comprenderá las diferentes aplicaciones de la tecnología de celdas solares CIGS, conocerá las actualizaciones más recientes de la tecnología y más.

Paneles solares de película delgada CIGS en la azotea
Architectsea, paneles solares CIGS en la azotea, recorte, CC BY-SA 3.0

Índice del contenido

Tecnología solar de película delgada CIGS: comprensión de los conceptos básicos

Una breve historia…

La tecnología de paneles solares CIGS puede rastrear su origen de vuelta a 1953 cuando Hahn hizo el primer CuInSe2 (CIS) celda solar de película delgada, que fue nominada como material fotovoltaico en 1974 por Bell Laboratories. En ese año, los investigadores comenzaron a probarlo y, en 1976, investigadores universitarios crearon el primer p-CuInSe.2/n-CdS, dando los primeros pasos hacia las células solares de capa fina CIGS. En 1995, los investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) finalmente introdujeron el galio en la mezcla de células solares CIS, creando la primera célula solar CIGS.

Conceptos básicos sobre la estructura de la célula solar CIGS

La tecnología de paneles solares de película delgada CIGS se fabrica con una unión pn hecha de cobre, indio y galio, que luego se recocido con Vapor de seleniuro. La propiedad flexible del módulo se obtiene variando el sustrato, que es lo que le otorga propiedades únicas para diferentes aplicaciones. La estructura de la celda solar CIGS también cuenta con una lámina conductora para la conductividad y una capa protectora.

Una ventaja de un panel solar de película delgada CIGS es que su tecnología es extremadamente versátil, pudiendo adaptarse a numerosas aplicaciones. Los módulos fotovoltaicos que utilizan esta tecnología se pueden fabricar como módulos flexibles, módulos rígidos, productos fotovoltaicos integrados en edificios (BIPV) y, con las tecnologías actuales, incluso como módulos bifaciales de alta eficiencia.

Impacto en el medio ambiente y reciclaje

También existe una importante ventaja ambiental en la tecnología de paneles solares de película delgada CIGS en comparación con silicio cristalino (c-Si) unos. La fabricación de módulos fotovoltaicos de c-Si produce una contaminación equivalente a 50–60 g de CO2/kWh, mientras que un panel solar CIGS solo produce 12–20 g de CO2/kWh, que es similar a la energía eólica que produce 10-12 g de CO2/ kWh.

Dado que la producción de un panel solar de película delgada CIGS requiere el uso de metales valiosos, es un buen punto a favor de esta tecnología que puede ser reciclado. Alrededor del 100 % de la plata y el 85 % del indio utilizados para fabricar estos módulos se pueden recuperar durante el reciclaje.

Gran eficiencia de conversión y rendimiento

La tecnología de paneles solares CIGS es una de las tecnologías de película delgada más eficientes disponibles. Una eficiencia récord de células solares CIGS del 23.35 % fue logrado por Nakamura et al en 2019 para las células solares CIGS, mientras que los módulos de paneles solares flexibles CIGS presentan una eficiencia registrada del 22.2 %, logrado en 2022 por los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales (EMPA).

Esta tecnología ofrece un gran rendimiento, en parte gracias a su coeficiente de baja temperatura (TCO) de solo -0.36% / ºC, siendo excelente para todas las aplicaciones en lugares de clima extremo. A medida que la tecnología se desarrolla más o se combina como células solares en tándem, es posible aumentar su eficiencia.

Pros y contras de los paneles solares de película delgada CIGS

Para Agencias y Operadores

Alta eficiencia de conversión

La eficiencia de conversión récord para las células solares CIGS se ha logrado en un 23.35 %. Esto está por encima del promedio y cerca del récord de otras tecnologías populares de c-Si.

Costos de producción competitivos

Los paneles solares CIGS tienen costos de producción competitivos, gracias a su diseño delgado, presentando un menor requerimiento de materiales para fabricar células solares.

Baja huella de carbono

La fabricación de células solares CIGS apenas genera entre 12 y 20 g de CO2 equivalente/kWh. Esta baja huella de carbono es bastante similar a la de la energía eólica.

Estética superior

Gracias a un diseño más ligero y delgado, las células solares CIGS presentan una apariencia estética superior. Además, modelos de paneles solares flexibles CIGS adaptarse a edificios de formas extrañas, ideal para mejorar la estética.

Propiedades únicas adecuadas para diversas aplicaciones.

Gracias a su peso ligero, las células solares CIGS se pueden instalar en tejados con una capacidad de peso limitada. Esta tecnología también se puede fabricar en opciones de paneles solares flexibles CIGS para edificios de formas extrañas o energía fotovoltaica integrada en edificios (BIPV).

Mejor rendimiento en luz difusa y altas temperaturas

Las células solares CIGS pueden funcionar mejor gracias a una mejor adaptación en lugares con luz difusa y un coeficiente de baja temperatura de -0.36 %/ºC, lo que reduce las pérdidas de energía en lugares con climas extremos.

Adecuado para aplicaciones bifaciales

Se pueden fabricar paneles solares CIGS bifaciales, para aprovechar el recurso albedo. La industria solar recientemente logró avances para mejorar la tecnología CIGS bifacial.

Los paneles solares de película delgada CIGS pueden reciclarse potencialmente

La tecnología de celdas solares CIGS se puede reciclar, recuperando el 100 % de la plata y el 85 % del indio utilizado para fabricar las celdas.

Desventajas

La fabricación requiere un metal raro

Los paneles solares de película delgada CIGS requieren indio, que se considera un metal raro. La única ventaja es que la mayor parte del indio en los paneles solares de película delgada CIGS se puede reciclar a partir de módulos antiguos.

Degradación rápida de las células solares en determinadas condiciones

Las celdas solares de película delgada CIGS pueden verse muy afectadas por el vapor de agua que provoca la migración de sodio dentro de la celda, y aumenta la degradación de las células solares. Para evitar esto, no se recomienda utilizar este tipo de tecnología fotovoltaica en áreas con alta humedad y luz solar intensa cuando se desconoce la calidad del producto.

Aplicaciones de los paneles solares de película delgada CIGS

Los paneles solares de película delgada CIGS tienen varias aplicaciones. Esta tecnología se puede utilizar para aplicaciones tradicionales, pero también para aplicaciones únicas que no son adecuadas para paneles solares de c-Si convencionales.

Aplicaciones tradicionales residenciales, comerciales e industriales/a escala de servicios públicos

Los paneles solares de película delgada CIGS pueden diseñarse como módulos rígidos o flexibles, para ser utilizados en instalaciones fotovoltaicas tradicionales en escalas que van desde residenciales hasta servicios públicos. El gran desempeño en diferentes iluminaciones y temperaturas extremas, hace que estos módulos se desempeñen mejor que las tecnologías tradicionales.  

Energía fotovoltaica integrada en edificios (BIPV)

Fachada integrada al edificio CIGS
Fachada integrada en el edificio CIGS | Fuente: Fotovoltaica de película delgada CIGS

BIPV es una aplicación particular adecuada para CIGS y algunos otras tecnologías solares de película delgada. Las células solares CIGS pueden diseñarse en la fachada de un edificio, las ventanas, o adaptarse en diferentes formas para proporcionar a los edificios la capacidad de producir energía solar, sin alterar la estética del lugar.

Aplicaciones espaciales

Pocas tecnologías, incluido CIGS, se pueden adaptar a las aplicaciones espaciales. Hasta 2023, Ascent Solar, el fabricante de paneles solares CIGS con sede en EE. UU., produjo Módulos fotovoltaicos CIGS para aplicaciones espaciales con propiedades únicas que han sido demostradas a menudo por la NASA.

Los últimos hallazgos y actualizaciones sobre los paneles de película delgada CIGS (2022-2023)

Eficiencia récord del 22.2 % para células solares CIGS flexibles

En septiembre de 2022, investigadores de los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales (EMPA) presentaron un nuevo récord de eficiencia alcanzado para una celda solar CIGS flexible del 22.2%, a las 8th Conferencia Mundial sobre Conversión de Energía Fotovoltaica (WCPEC-8). El récord anterior se situó en 21.4%, mientras que el récord para la tecnología de película delgada CIGS, en general, se mantiene en 23.35%.

El Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar (Fraunhofer ISE) confirmó más tarde este logro. El nuevo récord se logró modificando la composición de la capa CIGS, lo que aumentó el voltaje de salida y mejoró el rendimiento. Estos resultados se pueden replicar a escala industrial para aumentar la eficiencia de la fabricación minorista de paneles solares CIGS.

Mayor eficiencia para células solares bifaciales de película delgada CIGS

Investigadores de los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales (EMPA) han logrado una mayor eficiencia en módulos fotovoltaicos bifaciales con tecnología de paneles solares de película delgada CIGS. El record alcanzó una eficiencia del 19.8% en la parte frontal del módulo y del 10.9% en la parte trasera.

La tecnología bifacial es excelente para aplicaciones que aprovechan el recurso del albedo, pero una mayor eficiencia es particularmente interesante en la tecnología solar de película delgada debido a las propiedades transparentes del módulo. Este logro también podría conducir a una mayor eficiencia en aplicaciones como BIPV.

Los investigadores diseñaron una célula solar en tándem de perovskita-CIGS que podría alcanzar una eficiencia del 29.7 %

La investigación de células solares en tándem con perovskita ha mostrado potencial en publicaciones a lo largo de los años. En 2023, investigadores de la Universidad de Chitkara en India publicado un documento en Energy Fuels que ilustra un estudio numérico que muestra una célula solar CIGS-perovskita en tándem mejorada, lo que demuestra que se puede lograr una eficiencia de conversión solar del 29.7%.

El estudio se basa en una celda solar monolítica en tándem con una capa superior de perovskita con una brecha de banda ancha (Eg) de 1.68 eV y una capa CIGS con un Eg de 1.1 eV. Todavía existen algunas limitaciones por pérdidas e interferencias que podrían no haberse considerado, pero el potencial de este cálculo podría arrojar resultados impresionantes en experimentos realizados en un laboratorio que buscan reproducir el diseño.

Investigadores japoneses crean una hoja de ruta para aumentar la eficiencia de los paneles solares de película delgada CIGS

Actualmente, el panel solar de película delgada CIGS promedio presenta una eficiencia de conversión que supera ligeramente el 18%. En octubre de 2022, investigadores japoneses del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada (AIST) publicaron un artículo proponiendo una metodologia para aumentar la eficiencia de un panel solar CIGS más allá del umbral de eficiencia de conversión solar del 20 %.

El documento promueve la adquisición de energía solar mediante la creación de una hoja de ruta hacia modelos de paneles solares flexibles CIGS de película delgada de alta eficiencia que se pueden usar en superficies curvas y techos con restricciones de peso. El método recomienda reduciendo el deterioro de CIGS en el borde de las células solares mediante el uso de tratamientos de pasivación/terminación apropiados durante la fabricación o reemplazando el trazado mecánico.

¿Cómo se comparan los paneles solares de película delgada CIGS con otras tecnologías en el mercado?

En la industria solar, existen muchas tecnologías fotovoltaicas sobresalientes disponibles. En esta sección, comparamos la tecnología de paneles solares de película delgada CIGS con la tecnología de celda trasera de emisor pasivado (PERC), que posee la mayor participación de mercado, y con la tecnología de contacto pasivado con óxido de túnel (TOPCon), una versión mejorada de la tecnología PERC con aumento en popularidad.

PERCTOPConCIGS
Mayor eficiencia registrada24.50%26.56%23.35%
Coeficiente de temperatura< -0.4%/ºC< -0.3%/ºC-0.36% / ºC
Cuota de mercado75%
(2021)
8%
(2020)
<1%
(2021)
Peso17.9-33 kg5 kg
AplicacionesAplicaciones tradicionales de módulos fotovoltaicos rígidos
  • Aplicaciones de módulos fotovoltaicos rígidos
  • Aplicaciones de módulos fotovoltaicos flexibles
  • BIPV

Las tecnologías populares de c-Si como PERC y TOPCon han superado la tecnología de paneles solares CIGS en algunas métricas, pero esta tecnología de película delgada todavía es muy capaz de competir con ellas.

La eficiencia más alta registrada para las células solares CIGS está unos pocos puntos por debajo de la de TOPCon y solo ligeramente por debajo de la tecnología PERC. Si bien los módulos de producción en masa pueden superar un poco el 18 %, los investigadores japoneses ya están trabajando para aumentar esa eficiencia más allá del umbral del 20 %.

Un gran punto a favor de los paneles solares de película delgada CIGS es su coeficiente de temperatura TOPCon es la tecnología de mejor rendimiento, pero CIGS funciona mejor en climas extremos que la tecnología PERC y también funciona excepcionalmente en condiciones de luz difusa.  

El punto más fuerte a favor de la tecnología de paneles solares de película delgada CIGS es el elevado número de solicitudes que superan las tecnologías fotovoltaicas PERC y TOPCon. Los paneles solares CIGS se pueden usar como módulos rígidos tradicionales, como módulos fotovoltaicos flexibles para instalar en techos curvos o edificios con formas extrañas, y para muchas otras aplicaciones.

El peso ligero de paneles solares CIGS es ideal para aplicaciones donde hay un límite de peso máximo. El peso de los módulos fotovoltaicos PERC y TOPCon puede oscilar entre 18 kg y 33 kg, pero algunos paneles solares de película delgada CIGS apenas pesan alrededor de 5 kg. Esto los convierte en una excelente opción para hogares con limitaciones de peso del techo para disfrutar de la energía solar sin cambiar el techo.

Además de las aplicaciones fotovoltaicas flexibles y rígidas, la tecnología solar de película delgada CIGS puede ser diseñado y fabricado para aplicaciones BIPV. Los módulos fotovoltaicos CIGS se pueden producir en varios colores y patrones, se pueden crear en formas personalizadas para aplicaciones estéticas o se pueden usar como fachadas fotovoltaicas, ventanas de vidrio solar, tejas y más.

Paneles solares de película delgada CIGS y su mercado: una visión general del futuro

Los paneles solares de película delgada CIGS actualmente contienen solo 1% de la cuota de mercado., pero la tecnología ha estado en constante crecimiento en la industria solar. desde 2017, lo que la convierte en una de las tecnologías solares de capa fina más importantes. Se espera que la tecnología de paneles solares de película delgada CIGS siga creciendo a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 6.97 % entre 2019 y 2027.

Actualmente, hay varios fabricantes de paneles solares CIGS. Estos incluyen la empresa con sede en Suiza Flisom con una línea de producción de 15 MW, Sunflare con una capacidad de producción de 40 MW y varios otros, incluida la empresa emergente francesa conocida como Solar Cloth, que recientemente comenzó con una capacidad de producción de 20 MW.

Otro aspecto importante a considerar cuando se habla del futuro de la tecnología de paneles solares de película delgada CIGS es el número de proyectos que tienen como objetivo mejorar esta tecnología.

Células solares en tándem CIGS-perovskita

Un desarrollo prometedor relacionado con las células solares CIGS es la creación de células solares en tándem CIGS-perovskita. La tecnología brinda grandes oportunidades para la futura industria solar ya que ha probado una eficiencia de conversión solar de más del 24%, con ligereza, flexibilidad y resistencia a la radiación.

Células solares CIGS de alto rendimiento

Otro proyecto prometedor es el desarrollo de células solares CIGS de alto rendimiento utilizando un método de síntesis mejorado. El Proyecto UL-Flex-Cell finalizó en febrero de 2023, con un presupuesto cercano a los 160,000€, y fue coordinado por el Laboratorio Internacional Ibérico de Nanotecnología. El proyecto tenía como objetivo mejorar la fabricación de la celda solar CIGS para aumentar la eficiencia de los módulos.

Aplicación de la tecnología de celdas solares de silicio a las celdas solares CIGS

No hay un proyecto de mejora de la tecnología fotovoltaica destinado a combinar la tecnología de celdas solares c-Si con celdas solares CIGS, aumentando la eficiencia de las celdas solares entre un 23 % y un 26 %, mejorando la estabilidad y la confiabilidad, y reduciendo los costos. El proyecto fue organizado por Interuniversitair Micro-Electronica Centrum (IMEC), contó con un presupuesto de poco menos de 2,000,000 3 2022 € y finalizó en el tercer trimestre de XNUMX. Los resultados son publicado en 33 artículos revisados ​​por pares, 1 libro monográfico y 1 conferencia preliminar.

Proyecto NovaCell

Finalmente, en el tercer trimestre de 3, se anunció la Proyecto NovaCell que está alojado por el Grupo de Investigación NOA. Este proyecto tiene como objetivo desarrollar una arquitectura novedosa para las células solares CIGS. Planean lograr esto reduciendo el grosor de la celda solar a 700 nm, ahorrando materiales, y al mismo tiempo logrando una eficiencia de celda solar CIGS del 16% a un bajo costo.

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