La energía solar fotovoltaica ha irrumpido con fuerza en el mercado de generación eléctrica a pequeña, media y gran escala, lo cual, por una parte, fomenta una creciente descarbonización y, por otra, va a contribuir de forma decisiva a hacer posible el concepto de “electricidad en todas partes” (en inglés, “electricity everywhere”). Un aspecto clave para la materialización de este concepto en el ámbito de la mediana y pequeña escala se basa en nuevos sistemas de generación de energía solar fotovoltaica, susceptibles de integrarse en superficies que se convierten así en generadores de electricidad, mientras mantienen la utilidad para la que fueron concebidas. Estas “superficies fotovoltaicas” podrían formar parte de edificios, vehículos de transporte, mobiliario urbano, satélites espaciales, etc.

Varias de estas aplicaciones tienen limitaciones de área, como, por ejemplo, el ala de un dron que se pretenda alimentar fotovoltaicamente. Además, muchas de estas aplicaciones son portátiles, por lo que las soluciones solares fotovoltaicas que se implementen han de ser ligeras y de alta eficiencia. Es decir, se precisan ratios de potencia-masa mayores a 1 kW/kg, que a día de hoy son inalcanzables por la tecnología fotovoltaica de silicio cristalino (que copa más del 90% del mercado fotovoltaico actual) o de perovskitas (que constituyen una alternativa reciente, más barata, pero con limitaciones técnicas que de momento lastran su viabilidad). Una ventaja adicional derivada de las células solares ligeras (delgadas) es su flexibilidad, que permite su adaptación a superficies curvas. En consecuencia, la obtención de células solares flexibles y con una densidad de potencia elevada, posibilitaría la adopción de soluciones fotovoltaicas en aplicaciones como el coche eléctrico, aeronaves no tripuladas (drones, globos estratosféricos, pseudo-satélites), satélites espaciales, sensores remotos para la Internet de las Cosas, etc. que van a cambiar nuestro modo de vida en los próximos años.

Este proyecto de investigación financiado por la Agencia Estatal de Investigación, desarrollará dos tecnologías fotovoltaicas basadas en células solares multiunión de semiconductores III-V ligeras y flexibles para alcanzar ratios de potencia-masa de 1 kW/kg y 3 kW/kg. Una primera generación de células solares se basará en el adelgazamiento químico del substrato aplicando técnicas recientemente desarrolladas en nuestro laboratorio y patentadas. Esto conlleva el desafío de explorar alternativas para la mejora del comportamiento de la parte trasera de la célula junto con el desarrollo de micro reflectores. El objetivo es fabricar células solares con un espesor total de 50 micras (aproximadamente el diámetro de un cabello humano) y una eficiencia de conversión del 30% para lograr una ratio potencia-masa de 1 kW/kg (por ejemplo, las células de silicio logran ratios de 0.1 kW/kg).

Una segunda generación, más ambiciosa, estará basada en células solares multiunión que se desprenderán del sustrato sobre el que se fabrican, lo que permitirá la reutilización de este último en aras de una reducción de coste y de mejora de la economía circular. En cuanto al interior de la célula solar, abordaremos diversos desafíos para aumentar notablemente su eficiencia. El objetivo es fabricar células solares con un espesor total de 20 micras y una eficiencia del 34% para lograr una ratio potencia-masa de 3 kW/kg.

Para maximizar el impacto científico-tecnológico del proyecto, las células fabricadas se someterán a ensayos de envejecimiento acelerado, lo que nos permitirá determinar anticipadamente su fiabilidad y durabilidad. También se integrarán las células fabricadas en minimódulos flexibles, lo que permitirá analizar su funcionamiento en condiciones reales.

La viabilidad de este proyecto descansa en la sólida experiencia del Grupo de Semiconductores III- V del Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid (https://www.ies.upm.es/Investigacion/IES_GI/S_III_V) en el desarrollo de células solares multiunión muy eficientes, cubriendo toda la cadena de valor de su desarrollo, que incluye simulación, crecimiento de estructuras semiconductoras (mediante un reactor epitaxial de MOVPE único en España), fabricación completa de células solares y su caracterización. En las dos generaciones de células que desarrollaremos en este proyecto, nuestro grupo posee resultados homologables a los mejores del mundo en concentración fotovoltaica con tamaños de algunos milímetros cuadrados, que ahora tendremos que adaptar a dispositivos ultradelgados y con un tamaño de varios centímetros cuadrados.

Las células solares ligeras, flexibles y de alta eficiencia que desarrollaremos en este proyecto proporcionarán soluciones en campos como el de la energía limpia, transporte, comunicaciones, espacio, etc. Estos campos constituirán un mercado que va desde las decenas de megavatios (carga de dispositivos portátiles) hasta los gigavatios (vehículos eléctricos), lo que supondrá miles de millones de euros. Esta clara aplicabilidad de nuestras investigaciones, nos permitirá estar en contacto con empresas españolas y europeas para desarrollar soluciones fotovoltaicas de alta densidad energética en nuevas aplicaciones todavía sin “solarizar”.