En la búsqueda de mejorar la eficiencia en la conversión de energía solar a eléctrica, la doctora María Estela Calixto Rodríguez, investigadora del Instituto de Física “Ing. Luis Rivera Terrazas” de la BUAP (IFUAP), diseña nuevos materiales para celdas solares, basados en películas delgadas, innovación que permitirá reducir espesor y cantidad de material utilizado en este tipo de celdas.

Si bien la generación de energía eléctrica por conversión fotovoltaica es una alternativa real, aún existen limitaciones económicas y operativas.  Dicha investigación permite disminuir costos y posicionar a la BUAP como una de las universidades líderes en el desarrollo de fuentes de energía renovables, en especial en el área de energía solar.

La conversión directa de energía solar a eléctrica se realiza utilizando dispositivos fotovoltaicos o celdas solares, que producen energía eléctrica sin la emisión de dióxido de carbono. El efecto fotovoltaico es la generación de una corriente eléctrica en un material cuando se le induce energía luminosa.

Las actuales celdas solares se componen de obleas de silicio -mono y policristalino-, con espesores de 300-400 micrómetros y reportan, a nivel de laboratorio, eficiencias de 24-25 por ciento. En cambio, las celdas solares en película delgada basadas en diselenuro de cobre indio galio, Cu(In,Ga)Se2, tienen un espesor de entre 4 y 6 micrómetros, reduciendo así la cantidad de material utilizado y, por ende, el costo de su fabricación. En cuanto a la eficiencia de conversión de energía solar a energía eléctrica, estos materiales reportan entre 20-21 por ciento, un valor muy cercano al de las celdas solares de silicio.

En la actualidad, la generación de energía eléctrica por conversión fotovoltaica es una alternativa real. Sin embargo, existen limitaciones  económicas y operativas. Hasta ahora, el precio del kilowatt-hora (kW-h) generado por celdas fotovoltaicas (US$ 0.25–0.65 /kW-h) es de 6 a 10 veces superior al precio del kW-h producido por métodos relacionados con combustibles fósiles (US$ 0.02-0.04/kW-h).

Lo anterior, no ha permitido extender su uso en hogares y empresas. Por consiguiente, la tendencia general es el desarrollo de estrategias para reducir costos de producción y mejorar las eficiencias. Por tal motivo, la doctora en Ciencias Químicas por la UNAM explicó que al reducir la cantidad de material utilizado con las celdas solares en película delgada, se espera disminuir los costos, ya que los paneles fotovoltaicos son centrales en las inversiones de cualquier proyecto de este tipo y representan hasta el 60 por ciento de las inversiones.

Capa por capa

La elaboración de las celdas fotovoltaicas consiste en depositar sobre un sustrato rígido (vidrio) o flexible (polímero o acero inoxidable) un material conductor, por ejemplo molibdeno. Posteriormente, se deposita el diselenuro de cobre-indio (CuInSe2, semiconductor con conductividad tipo “p”). Después se deposita el sulfuro de cadmio (CdS, semiconductor con conductividad tipo “n”). En la siguiente etapa, se coloca un contacto conductor transparente (por ejemplo un óxido de zinc) y finalmente un enrejillado de niquel-aluminio (Ni/Al) como contacto metálico.

Actualmente, la investigación está enfocada a optimizar los parámetros de depósito de materiales semiconductores en película delgada de CuInSe2 y CdS, para su uso en celdas solares. Sin embargo, la doctora Calixto Rodríguez señaló que para completar el procesamiento de este tipo de celdas solares es necesario contar con equipos para la preparación de materiales adecuados, para el depósito de los contactos metálicos y los óxidos conductores transparentes.

Para tal fin, se realizan y presentan propuestas de nuevos proyectos de investigación ante diversas instituciones como la Secretaría de Educación Pública (SEP), el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) y la Secretaría de Energía, para obtener el financiamiento requerido.

Métodos de preparación de materiales

La académica del IFUAP precisó que para depositar los materiales en película delgada sobre los sustratos rígidos o flexibles, se utilizan las técnicas de electrodepósito y de depósito por baño químico.

La técnica de electrodepósito es un proceso electroquímico que permite la preparación de depósitos sólidos en película delgada, sobre la superficie de materiales conductores. El electrodepósito se lleva a cabo por la acción de la corriente eléctrica que circula a través de una celda electroquímica, un dispositivo que consta de dos o tres electrodos sumergidos en un electrolito.

Para la preparación de materiales en película delgada, la doctora Calixto Rodríguez dispone de varios potenciostatos con software integrado para el control y adquisición de datos en su laboratorio de “Materiales Semiconductores para Aplicaciones Fotovoltaicas”.

La académica indicó que también se tiene un sistema de depósito por baño químico (un proceso de reacciones químicas de precipitación) que se utiliza para la obtención del sulfuro de cadmio.

Ambas técnicas son de bajo costo y permiten su escalamiento a nivel industrial; asimismo se pueden usar sustratos de área pequeña y grande.

Una vez que los materiales en película delgada han sido obtenidos es necesario analizar su estructura cristalina, morfología, composición química, propiedades ópticas y eléctricas e interpretar los resultados. Para ello, se cuenta con equipos de difracción de rayos X, microscopios electrónicos de barrido con espectroscopia de energía dispersiva de rayos X, espectrómetros, además de otros equipos disponibles en el IFUAP, añadió la integrante del Cuerpo Académico de Física Aplicada.

Para la fabricación de celdas solares sólo se utilizarán los materiales que muestren los mejores resultados en cuanto a sus propiedades físicas y químicas, satisfaciendo criterios previamente establecidos. El proceso de depósito capa por capa se realiza de manera individual y con la combinación correcta de parámetros de depósito, hasta obtener una estructura de multicapas para completar la celda solar.

El último paso es el análisis de la celda solar para determinar si la conversión de energía solar a energía eléctrica se está realizando de manera eficiente, expuso la académica del grupo de investigación de Física de Superficies e Interfaces y Materiales Fotovoltaicos del IFUAP.

Los avances de los resultados de esta investigación se han presentado en congresos nacionales e internacionales y publicado en revistas indizadas. Además, han permitido la formación de recursos humanos altamente especializados en el área de energía solar, que hacen de la Máxima Casa de Estudios de Puebla una universidad líder en esta materia.