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Paneles solares de película delgada: tecnologías, pros y contras y usos

La industria fotovoltaica (PV) está liderada por la tecnología tradicional de silicio cristalino rígido (c-Si), que presenta alta eficiencia, bajo precio y mayor disponibilidad, pero esta no es la única opción disponible. Tecnología solar de película delgada incluye muchas características que lo hacen único para aplicaciones particulares que no son adecuados para los módulos fotovoltaicos c-Si tradicionales.

Hay muchas tecnologías solares de película delgada populares disponibles en el mercado, incluido el arseniuro de galio (GaAs), el telururo de cadmio (CdTe) y otras, y se están investigando y desarrollando otras nuevas.

En este artículo, aprenderá sobre la tecnología solar de película delgada más importante, sus aplicaciones, ventajas y desventajas, y otros datos interesantes sobre la tecnología.

Paneles solares de película delgada instalados en la azotea
By Tienda Solar Australia, Modificaciones: Recortar (CC BY-NC-SA 2.0

¿Qué son los paneles solares de película delgada y por qué son tan importantes para la industria fotovoltaica?

La tecnología de paneles solares de película delgada consiste en la deposición de capas extremadamente delgadas (nanómetros hasta micrómetros) de semiconductores sobre materiales de respaldo que constituyen el cuerpo de un módulo fotovoltaico. Estos materiales generan electricidad a partir de la radiación solar bajo el efecto fotovoltaico.

Los módulos fotovoltaicos de c-Si tradicionales eclipsaron la tecnología solar de película delgada en el pasado con una mayor eficiencia a un costo decente, pero esto se ha estado emparejando en años recientes. Actualmente, tecnología c-Si presenta una mejor eficiencia que la mayoría de los módulos solares de película delgada por un buen costo, pero la tecnología solar de película delgada es particularmente adecuada para aplicaciones únicas en la industria fotovoltaica que la hacen insustituible por silicio cristalino.

Un claro ejemplo es la tecnología de Arseniuro de Galio (GaAs). Si bien presenta un costo elevado, su alta eficiencia de hasta un 30% en condiciones de prueba estándar (STC) y 68.9% en condiciones de laboratorio únicas, lo hace ideal para aplicaciones espaciales y fotovoltaicas concentradas (CPV). La tecnología solar de película delgada también se puede utilizar para módulos fotovoltaicos flexibles adecuados para diversas aplicaciones, fotovoltaica integrada en edificios (BIPV), aplicaciones portátiles y más.

Las tecnologías de paneles solares de película delgada más populares y sus aplicaciones

La tecnología solar de película delgada es un compendio de diferentes tecnologías que incluyen tecnologías de vanguardia, tecnologías populares utilizadas en aplicaciones comerciales y tecnologías prometedoras en desarrollo. En esta sección, explicamos las tecnologías solares de película delgada más importantes y sus aplicaciones.

Arseniuro de galio (GaAs) y germanio (Ge): la película delgada más popular para aplicaciones espaciales y fotovoltaicas concentradas (CPV)

El arseniuro de galio (GaAs) y el germanio (Ge) son dos de las tecnologías solares de película delgada más importantes incluidas en la categoría de multiunión III-V fotovoltaica. Se trata de módulos de desarrollo complejo fabricados con varios cruces en lugar de un solo cruce, diseñado para superar la 33.5 % de limitación de eficiencia de Shockley-Queisser conjunto para celdas solares de banda prohibida simple.

GaAs y Ge Las células solares de película delgada se fabrican con galio y arseniuro para GaAs y germanio para los módulos fotovoltaicos de Ge. El diseño de unión múltiple III-V en combinación con los materiales aumenta la banda prohibida, lo que da como resultado una mayor movilidad de electrones y una velocidad de electrones saturados, lo que permite que estos módulos fotovoltaicos de película delgada absorban más energía de los fotones y brinden una mayor eficiencia.

El gran revés de las células solares de película delgada de GaAs y Ge es su alto costo de fabricación y la dificultad de crecer para la producción en masa. Aunque esto es una limitación, su alta eficiencia, que alcanza hasta el 68.9%, lo hace especialmente adecuado para aplicaciones espaciales y energía fotovoltaica concentrada (CPV).

Telururo de cadmio (CdTe) y seleniuro de indio-(galio) de cobre (CIGS y CIS): la película delgada más popular para aplicaciones comerciales

Paneles solares plegables con tecnología de película delgada
Paneles solares plegables con tecnologías de película delgada - Fuente: Reddit

Telururo de cadmio (CdTe), el seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) y el seleniuro de cobre e indio (CIS) comprenden otro grupo importante de tecnologías solares de película delgada. La eficiencia récord se establece en 22.1% para CdTe, 22.2% para CIGS y 23.5% para CIS. También cuentan con un costo altamente competitivo por vatio ($/W).

Al igual que con otras tecnologías solares de película delgada, los módulos fotovoltaicos CdTe, CIGS y CIS se fabrican depositando capas delgadas de materiales semiconductores. utilizando técnicas como pulverización catódica, evaporación, deposición electroquímica, y otros. el material de respaldo determina la flexibilidad del módulo y por tanto su aplicación.

Los paneles solares de película delgada CdTe, CIGS y CIS no son tan populares como el silicio cristalino para aplicaciones residenciales debido a una menor eficiencia y un mayor espacio por vatio requerido, pero son menos costosos. El menor costo por vatio hace que estas tecnologías estén calificadas de manera única para plantas de energía solar donde el espacio de instalación no es una limitación, pero los costos deben reducirse al mínimo.

El uso en aplicaciones comerciales es el papel más importante que desempeñan estas tecnologías solares de película delgada en la industria fotovoltaica. Se utilizan tecnologías como CdTe, CIGS y CIS para crear dispositivos electrónicos con generación de energía solar integrada, módulos fotovoltaicos portátiles, BIPV, tejas solares, módulos fotovoltaicos flexibles para múltiples aplicaciones y más.

En el pasado, CdTe, CIGS y CIS no eran las únicas tecnologías solares de película delgada populares utilizadas para aplicaciones comerciales. Otras tecnologías importantes Los que tenían una cuota de mercado significativa eran el silicio amorfo (a-Si) y el silicio micromorfo (μ-Si), pero el hecho de no aumentar la eficiencia y reducir los costes hizo que desaparecieran gradualmente del mercado.

PV de película delgada orgánica (OPV) y perovskitas: otras tecnologías importantes de película delgada en desarrollo

Los paneles solares de película delgada no han alcanzado su punto máximo, ya que la comunidad científica todavía está trabajando en la investigación y el desarrollo de tecnologías nuevas y más avanzadas. La tendencia actual bajo investigación incluye fotovoltaica de película fina orgánica (OPV) y células en tándem con una base de perovskita, ambas con un futuro prometedor en la industria fotovoltaica.

Las OPV se fabrican con dos materiales semiconductores. intercalados juntos, siendo una de las capas un tinte conductor o un semiconductor orgánico. Esta tecnología muestra un futuro prometedor al ofrecer un bajo costo de producción y alta estabilidad y podría causar un cambio rápido en el mercado fotovoltaico del futuro si se superan las limitaciones actuales.

Las celdas solares en tándem consisten en una tecnología solar de película delgada que pilas capas de unión pn de perovskita sobre una base de silicio cristalino u otras células solares de película delgada, que muestran un futuro prometedor para competir con el silicio cristalino tradicional debido a su potencial de bajo costo y alta eficiencia. La eficiencia récord para las células solares en tándem es actualmente fijado en 28.3% para celdas basadas en c-Si, y al 26.2% para celdas basadas en CIGS.

Desafíos para las células solares de perovskita en tándem incluir sensibilidad al agua, ancho de banda prohibida, cristalización incontrolada y otros. Las células OPV también tienen que ser desarrolladas como de gran tamaño células solares y resolver algunos otros contratiempos para llegar al mercado. En el futuro, estas tecnologías solares de película delgada podrían reemplazar los módulos fotovoltaicos rígidos y otros módulos fotovoltaicos de película delgada. proporcionando mayor flexibilidad, menores costos y menor peso para los módulos fotovoltaicos.

Pros y contras de la tecnología solar de película delgada

Aprender sobre los pros y los contras de los diferentes grupos de tecnología solar de película delgada es una excelente manera de comprender sus características únicas. En este apartado abordamos cada uno de ellos.

Las tecnologías solares de película delgada como GaAs y Ge pueden ofrecer un rendimiento asombroso, pero a un costo más alto. Otras tecnologías solares de película delgada como CdTe, CIGS y CIS pueden requerir un gran espacio para adaptarse al mismo sistema fotovoltaico que instalaría con módulos fotovoltaicos c-Si, pero una mejor rentabilidad y propiedades únicas hacen que estas tecnologías sean únicas. para aplicaciones comerciales.

A medida que estas tecnologías se desarrollen más, los avances futuros podría aumentar su eficiencia y reducir costes, haciéndolos más populares y aumentando su cuota de mercado. La siguiente tabla ilustra las ventajas y desventajas más importantes para cada grupo de tecnologías solares de película delgada:

Para Agencias y OperadoresDesventajas
GaAs y GeMayor eficiencia de hasta un 68.9 %Alto costo de fabricación
Baja temperatura de funcionamientoMayor degradación de las células solares
Generación de energía en condiciones de poca luzLos módulos fotovoltaicos son más delicados
Pequeño coeficiente de temperatura
CdTe, CIGS y CISMateriales robustos y resistentes.Alta degradación de las células solares
Pequeño coeficiente de temperaturaMenor eficiencia que c-Si
Mayor ahorro en instalaciones de gran envergadura
Ideal para aplicaciones comerciales únicas
Posibilidad de producir módulos flexibles
OPV y perovskita en tándemPotencial para ofrecer una mayor eficiencia que el silicio cristalinoLa mayoría aún en la etapa de investigación y desarrollo.
Bajo costo de produccionOPV todavía tiene que ser producido en células solares de gran tamaño
La perovskita en tándem tiene que superar varios contratiempos

GaAs y Ge se encuentran entre las mejores y más eficientes tecnologías solares de película delgada. Estos paneles solares de película delgada brindan una gran eficiencia y funcionan muy bien en climas de baja y alta temperatura, y son especialmente adecuados para aplicaciones CPV y espaciales. Las principales desventajas de estas tecnologías son un alto costo de fabricación y Degradación de células solares superior a la normal..

Las tecnologías solares de película delgada CdTe, CIGS y CIS han demostrado su valía en la industria fotovoltaica. Si bien son menos eficientes que el silicio cristalino, tienen una mejor relación costo-eficiencia y son mejores para las plantas de energía solar. Sus propiedades únicas y su bajo costo también los convierten en opciones ideales para aplicaciones comerciales como módulos fotovoltaicos portátiles, BIPV, paneles solares flexibles y otros.

Las células solares en tándem basadas en perovskita y OPV también tienen muchas ventajas y un gran potencial para impactar en la industria fotovoltaica. El único inconveniente es que los investigadores tienen que encontrar soluciones a algunos contratiempos antes de que estas tecnologías puedan llegar al mercado y ser utilizadas para todo tipo de aplicaciones comerciales.

Mercado de paneles solares de película delgada

Producción de GWp para CIGS, a-Si y CdTe Thin-Film Solar
Producción de GWp para energía solar de película delgada CIGS, a-Si y CdTe – Fuente: Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar

La industria fotovoltaica está gobernada principalmente por tecnología de silicio monocristalino y policristalino con una cuota de producción de alrededor del 95%. La tecnología solar de película delgada también es un jugador en la industria fotovoltaica, con una participación de producción de 5% para uso en plantas de energía solar, BIPV, aplicaciones espaciales, instalaciones fotovoltaicas regulares en techos y más.

En 2021, el mercado solar de película delgada se valoró en $12.2 millones y $14.7 millones de dólares para 2022, o alrededor del 5% de todo el mercado fotovoltaico. Además, en 3 años, de 2018 a 2021, la producción mundial bruta (GWp) de energía solar de película delgada de CdTe creció triple, convirtiéndose en la tecnología solar de película delgada más popular producida en todo el mundo.

A medida que la tecnología solar de película delgada sigue creciendo, se espera que la cuota de mercado de esta tecnología se desarrolle aún más en la industria fotovoltaica. Un estudio de Custom Market Insights estima que para 2023 la industria solar de película delgada podría crecer 74.82% hasta $25.7 mil millones, con casi el 10% de la cuota de mercado.

Las aplicaciones más importantes de la tecnología solar de capa fina

Paneles solares de película delgada incluyen varias tecnologías con diferentes características y propiedades. En esta sección, explicamos aplicaciones importantes para tecnologías solares de película delgada como GaAs, Ge, CdTe, CIGS y CIS.

Energía Fotovoltaica Integrada en Edificios (BIPV)

La energía fotovoltaica integrada en edificios (BIPV) se puede utilizar para fachadas, tejados y acristalamientos. Esta aplicación reemplaza la azotea, las ventanas (acristalamiento) y la fachada de cualquier edificio. con estéticamente superior módulos fotovoltaicos solares de película delgada que integrarse completamente en el diseño del edificio, dotándola de capacidad para generar energía solar para uso in situ o para exportar a la red.

El retorno de la inversión (ROI) para BIPV se puede estimar aproximadamente a partir de 10 a 15 años, dependiendo de las especificaciones del sistema y la ubicación. Los sistemas BIPV pueden durar hasta 30 años, que suministra la mayor parte o la totalidad de la energía necesaria para hacer funcionar un edificio. Las tecnologías populares utilizadas para BIPV incluyen CdTe, CIGS y CIS.

Aplicaciones fotovoltaicas concentradas (CPV)

La energía fotovoltaica de baja a alta concentración o CPV utiliza dispositivos ópticos para concentrar la luz solar en la superficie de los módulos fotovoltaicos. CPV se puede usar con cualquier panel solar, pero los paneles solares de película delgada de alta eficiencia como GaAs y Ge son mejores para estas aplicaciones, ya que un módulo fotovoltaico puede producir 30% a 40% más energía que en condiciones regulares.

Aplicaciones espaciales

Las naves espaciales, como los satélites, las estaciones espaciales y los cohetes, están expuestas a la radiación y pueden llevar un peso limitado al espacio, lo que hace que los módulos fotovoltaicos de película delgada altamente eficientes y livianos, como GaAs y Ge, sean especialmente adecuados para estas aplicaciones. Si bien son tecnologías costosas, es más rentable que transportar módulos de mayor peso al espacio.

Aplicaciones portátiles

La tecnología solar de película delgada como CdTe, CIGS y CIS presenta robustez, flexibilidad, bajo costo y alta eficiencia, lo que las hace mejores para aplicaciones portátiles. Algunos de estos incluyen paneles solares plegables de película delgada, cargadores de teléfonos solares, linternas solares, dispositivos en general con células solares integradas y más. Las futuras aplicaciones portátiles podrían incluir teléfonos inteligentes solares.

Dispositivos públicos/aplicaciones de equipos

El gobierno y las autoridades locales también aprovechan la tecnología solar de película delgada para instalar dispositivos y equipos para aplicaciones públicas, haciéndolos independientes de la red y reduciendo su costo de consumo de energía. Algunas de estas aplicaciones incluyen enrutadores Wi-Fi públicos con paneles solares, semáforos que funcionan con módulos solares de película delgada, farolas solares, y más.

Aplicaciones de vehículos

Barcos, casas rodantes, autobuses y otros vehículos también aprovechan la energía solar gracias a la tecnología solar de película delgada. Algunos conductores llevan paneles solares portátiles de película delgada en sus vehículos, mientras que otros van más allá al instalar módulos flexibles sobre la proa de los barcos, el capó o el techo de los vehículos recreativos, y más.

Instalaciones fotovoltaicas en azoteas

Las instalaciones fotovoltaicas de película delgada no son tan populares como las de c-Si, pero aún ocurren. Algunas aplicaciones incluyen instalaciones de tejas solares basadas en tecnología de película delgada e instalación fotovoltaica sobre edificios comerciales, pero principalmente granjas solares de película delgada en instalaciones industriales y de servicios públicos, donde el menor costo es importante y el espacio no es una limitación.

Palabra final: futuro y limitaciones de la tecnología fotovoltaica de película delgada

Comprender las limitaciones y el futuro esperado de la tecnología solar de película delgada puede ser útil para determinar cómo se desarrollará esta rama de la industria fotovoltaica. Por ejemplo, la tecnología solar de película delgada de a-Si no superó los reveses de eficiencia y costos, por lo que desplazar fuera del mercado fotovoltaico en años anteriores. También hay preocupaciones sobre materiales tóxicos y escasez de materiales sobre productos solares de capa fina.

Sorprendentemente, también hay noticias interesantes para las tecnologías solares de película delgada.

Una importante es que ciertas tecnologías solares de película delgada como GaAs pueden tener aplicaciones futuras que van más allá de la generación de energía solar y pisan el terreno de la transferencia de energía con el uso de la óptica. Además, en el futuro podrían desarrollarse tecnologías solares de película delgada que utilicen nuevos materiales.

Se ha estimado que la industria de la tecnología solar de película delgada crecerá alrededor de un 10% para 2030. Con avances, el futuro puede brillar aún más en la tecnología solar de película delgada, a medida que se desarrolla y adquiere una mayor participación de mercado en la industria fotovoltaica.

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