Películas delgadas CIGS: una alternativa al silicio cristalino

En el mercado de la energía solar fotovoltaica, existen básicamente dos familias de tecnologías: silicio cristalino y película fina. La tecnología cristalina, que incluye el silicio monocristalino y policristalino, posee la mayor cuota de mercado y representa casi la totalidad de las células y módulos fotovoltaicos fabricados en el mundo.

Por otro lado, existe un nicho de mercado interesante para la tecnología de películas delgadas. El proceso de fabricación de estas películas es diametralmente opuesto al de los semiconductores cristalinos. Mientras que en la tecnología cristalina las células se fabrican a partir de serrín de lingotes de silicio sólido, las células y módulos de película delgada se fabrican depositando pequeñas partículas semiconductoras sobre superficies que pueden ser rígidas o flexibles.

La deposición de película delgada es una técnica utilizada en diversas áreas de la industria y constituye un importante campo de estudio en la ciencia de los materiales. La deposición de película delgada consiste en aplicar una capa delgada de un material a la superficie de otro, modificando así las características físicas o químicas del material receptor.

El proceso de deposición de una película delgada se puede realizar mediante varios métodos, entre los cuales uno de los más utilizados es la deposición física de vapor (PVD – deposición física de vapor). La técnica PVD implica la deposición de un material sobre una superficie a través de su vaporización dentro de una cámara de vacío calentada.

El material a depositar se vaporiza mediante la aplicación de alta temperatura. La deposición puede ocurrir mediante un proceso puramente físico o mediante reacciones químicas en la superficie del sustrato (el material que recibe la película delgada). El resultado de la deposición física de vapor es la producción de una película delgada, más comúnmente conocida como película delgada, del material vaporizado.

La velocidad de vaporización se puede controlar, lo que permite ajustar el espesor de la capa. También es posible someter el sustrato a varias etapas de deposición, añadiendo progresivamente varias capas del mismo o de diferentes materiales.

Ventajas de la técnica de deposición de película fina.

La fabricación de películas delgadas mediante deposición de vapor utiliza cantidades controladas de materiales, lo que evita el desperdicio y es más eficiente energéticamente que la fabricación de silicio cristalino. En la fabricación de lingotes cristalinos, monocristalinos o policristalinos, se requieren altas temperaturas para fundir el silicio, lo que requiere grandes cantidades de energía.

Luego, el proceso requiere cortar el silicio para fabricar obleas, un proceso en el que se producen pérdidas. Además, fabricar películas delgadas es más rápido y requiere menos pasos que fabricar células cristalinas.

El mito de la baja eficiencia de las películas delgadas.

Los dispositivos fotovoltaicos de película delgada ocupan una porción muy pequeña del mercado de generación de energía, pero los beneficios y las promesas que rodean a esta tecnología estimulan muchos esfuerzos en la investigación y el desarrollo de células y módulos fotovoltaicos de película delgada.

Una desventaja bien conocida de las células fotovoltaicas de película delgada es su menor eficiencia en comparación con el silicio cristalino. Esto se aplica a películas delgadas de silicio amorfo o incluso de silicio microcristalino, que requieren la producción de células con dos o más uniones (cuyo proceso de fabricación es más costoso) para obtener células que puedan competir en eficiencia con el silicio cristalino.

Varios centros de investigación y fabricantes de todo el mundo han buscado nuevos materiales para la fabricación de películas delgadas con una buena relación coste-beneficio. Entre estos materiales destacan el telururo de cadmio (CdTe) y la aleación de cobre-indio-galio-selenio (CIGS), que permiten fabricar células y módulos fotovoltaicos con eficiencias que alcanzan (e incluso superan) las marcas conseguidas por los dispositivos de silicio cristalino.

Células fotovoltaicas CIGS

El CIGS (cobre-indio-galio-selenio) es uno de los principales materiales utilizados actualmente en la fabricación de células fotovoltaicas de película delgada. El CIGS posee un buen coeficiente de absorción de la luz solar, lo que permite el uso de capas más delgadas que las requeridas con otros tipos de semiconductores.

Las células CIGS se han fabricado en laboratorios con eficiencias superiores al 21%, y los módulos disponibles comercialmente presentan eficiencias que oscilan entre el 15% y el 18%, muy cercanas a las de los módulos de silicio cristalino. CIGS es una de las pocas tecnologías de materiales, junto con CdTE, que puede competir comercialmente con el silicio cristalino.

Si bien el mercado de generación de energía a gran escala hace un uso masivo del silicio cristalino, existen varias aplicaciones en las que las células CIGS destacan. Las películas de CIGS pueden depositarse sobre superficies de plástico o vidrio, lo que permite la creación de diversos productos fotovoltaicos, como módulos flexibles y tejas con diferentes formas.

A pesar de todas las ventajas presentadas, existe un problema importante en la escalabilidad de la producción de células y módulos CIGS: el elemento "I", el indio, es uno de los materiales más escasos del planeta. El gráfico a continuación nos da una idea de lo difícil que es encontrar indio en la naturaleza. Sin embargo, el indio también se utiliza en la fabricación de componentes electrónicos y pantallas, por lo que su disponibilidad comercial es considerable.

¿Por qué CIGS?

Cuando el objetivo es producir células y módulos fotovoltaicos flexibles o con formas no planas, la única opción posible es utilizar películas delgadas. Las células de silicio cristalino son necesariamente planas, rígidas y muy frágiles, por lo que requieren estructuras robustas y pesadas, con vidrio y un marco de aluminio, para su embalaje.

Se pueden producir módulos fotovoltaicos flexibles, tejas, toldos, cubiertas para vehículos y elementos decorativos para fachadas de edificios a partir de películas delgadas. El silicio cristalino no es una opción en estos casos. Entre las opciones de materiales para la producción de dispositivos fotovoltaicos de película delgada, el CIGS es una de las mejores alternativas, como ya se mencionó en la sección anterior.

La siguiente tabla muestra una comparación de la eficiencia de los módulos fotovoltaicos producidos con las principales tecnologías disponibles comercialmente. Para una mejor comparación, la siguiente tabla se refiere únicamente a la eficiencia de los módulos fotovoltaicos rígidos con vidrio. Si bien las películas delgadas siempre se consideran una alternativa para los módulos fotovoltaicos no convencionales, la tecnología CIGS también compite en el mercado de los módulos fotovoltaicos rígidos.

Tabla 1: Eficiencias de módulos fotovoltaicos con diferentes tecnologías. Fuente: Curso de Introducción a la Energía Solar Fotovoltaica (UNICAMP)

Algunas ventajas de los módulos CIGS

• Producción sostenible, con el uso de menos recursos energéticos y un menor volumen de materias primas. Una celda CIGS es 100 veces más delgada que una celda de silicio cristalino;
• Coeficiente térmico reducido. Esta es una ventaja que se encuentra en todas las películas delgadas, que sufren menos los aumentos de temperatura;
• Los módulos de película fina absorben bien la luz difusa y son adecuados para su instalación en posición vertical, lo que les permite integrarse en la arquitectura. Pueden usarse como revestimiento en fachadas de edificios e instalarse en lugares que normalmente no son adecuados para el uso de módulos cristalinos;
• Pueden fabricarse en pequeñas o grandes dimensiones, sin las restricciones de tamaño conocidas en los módulos cristalinos debido a la fragilidad de las células;
• No sufren el problema de las microfisuras como los módulos cristalinos;
• Los módulos CIGS se acercan a la eficiencia de los módulos cristalinos comerciales, con las ventajas de las películas delgadas.

Tabla 2: Características mecánicas y eléctricas de un módulo CIGS comercial con una eficiencia de aproximadamente 14,58% (calculada a partir de las especificaciones). Fuente: NICE Solar Energy, Alemania

Tejas fotovoltaicas CIGS

Las tejas fotovoltaicas son algunas de las innumerables posibilidades de aplicación de las películas finas de CIGS. Además de permitir la fabricación de baldosas en diferentes formatos (curvas, planas, onduladas), la tecnología CIGS es muy superior a la cristalina en este tipo particular de aplicación.

Ya ha habido intentos de producir tejas fotovoltaicas en la industria utilizando células de silicio cristalino, pero el resultado de estos intentos son sólo tejas con células fotovoltaicas en la parte superior, y no tejas genuinamente fotovoltaicas.

Además de no permitir cubrir la superficie total de la teja con material fotovoltaico y limitar mucho los formatos y dimensiones de posibles tejas, las células cristalinas no son adecuadas para este tipo de aplicaciones debido a su fragilidad, su alto coeficiente térmico y su vulnerabilidad a las sombras.

Las celdas de película delgada se fabrican con anchos muy pequeños, lo que facilita la producción de placas con voltajes de varias decenas a cientos de voltios. Por otro lado, las placas fotovoltaicas con células cristalinas tendrán, naturalmente, voltajes de salida bajos (debido al pequeño número de celdas utilizadas), lo que obliga a conectar un gran número de placas en serie en aplicaciones prácticas.

Las tejas fotovoltaicas con células cristalinas aún adolecen de otros problemas como que las células están sujetas a microfisuras, el bajo número de células por teja (lo que hace que el producto sea ineficiente) y la imposibilidad de cubrir toda la superficie del tejado con material fotovoltaico (lo que también resulta en en baja eficiencia del sistema.

Por último, un problema que los fabricantes de tejas fotovoltaicas suelen pasar por alto: la forma de la teja provoca sombras en su propia célula, lo que reduce sustancialmente la eficiencia en las aplicaciones prácticas, como si todos los demás problemas que se encuentran en este tipo de productos no fueran suficientes.

Las tejas fotovoltaicas fabricadas con películas CIGS son una excelente solución tanto desde el punto de vista técnico como estético. Además de su aspecto uniforme, las películas CIGS ofrecen una alta eficiencia y permiten cubrir toda la superficie del tejado con material fotovoltaico, optimizando así el uso del área disponible para la instalación.