Las células solares tándem pueden alcanzar mayores rendimientos de generación de energía fotovoltaica. El material absorbente sólo puede convertir un rango de longitud de onda limitado de la luz solar en electricidad de manera óptima, mientras que las otras longitudes de onda del espectro solar se utilizan de manera deficiente o no se utilizan en absoluto. Combinando células solares con diferentes bandas prohibidas, el espectro del sol se puede utilizar de manera mucho más eficiente.

El diseño de una célula solar en tándem de alta eficiencia requiere materiales absorbentes fotovoltaicos con diferentes intervalos de banda. Como regla general, las celdas solares en la parte superior de la pila monolítica tienen un intervalo de banda grande y convierten la luz UV y azul en electricidad, mientras que las células solares en la parte inferior de la pila tienen intervalos de banda más pequeños y convierten la luz roja e infrarroja de manera eficiente en electricidad.

El desarrollo de células solares fotovoltaicas ha sido un tema de investigación importante en Fraunhofer ISE desde su fundación. Desde entonces se han preocupado de aumentar la eficiencia, reducir los costos y ahorrar valiosos recursos materiales.

Investigan la tecnología tándem scon buenos medios de investigación en búsqueda de células solares tándem, que han alcanzado eficiencias de conversión máximas del 46,1%. Los nuevos enfoques de arquitecturas de células solares tándem son muy prometedores. Se centran en el desarrollo de células solares en tándem de silicio III-V y perovskita-silicio.

¿Por qué investigar células solares tándem?

Cada material absorbente fotovoltaico tiene la capacidad de convertir solo un rango de longitud de onda limitado de la luz solar en electricidad de manera óptima. Las otras longitudes de onda del espectro solar se utilizan mal o no se utilizan nada. Esto se debe principalmente a la banda prohibida electrónica. Este es un atributo inherente al material. Por lo tanto, la eficiencia de conversión máxima de las células solares fabricadas con un solo material se limita a alrededor del 30% dependiendo del material.

Las células solares tándem o de unión múltiple utilizan dos o más absorbedores fotovoltaicos. Cada uno de ellos tiene propiedades diferentes. Se combinan las células solares con diferentes bandas prohibidas en una llamada «pila en tándem». Así, el espectro del sol se puede utilizar de manera mucho más eficiente.

Como regla general, las celdas solares en la parte superior de la pila monolítica tienen un intervalo de banda grande. Convierten la luz UV y azul en electricidad. A la vez, las células solares en la parte inferior de la pila tienen intervalos de banda más pequeños y convierten la luz roja e infrarroja de manera eficiente en electricidad.

Este equipo de células solares trabajando en conjunto hace posible alcanzar eficiencias de conversión mucho más altas. Al mismo tiempo, las células parecen células solares convencionales. Actualmente se trabaja únicamente en dispositivos integrados monolíticamente: solo un contacto en la parte frontal y otro en la parte posterior. Todo lo demás está integrado en la estructura del dispositivo.

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Las celulas solares tandem vs celulas solares tradicionales

Las células solares tándem ofrecen un enfoque más sofisticado para la conversión de energía solar, maximizando la eficiencia al aprovechar una gama más amplia de longitudes de onda y reduciendo las limitaciones inherentes de las células solares convencionales. Veamos las diferencias más destacadas: :

Mayor eficiencia energética

Las células solares tándem pueden alcanzar eficiencias más altas al apilar varias capas de células con diferentes materiales semiconductores. La combinación de materiales con diferentes bandas de energía permite aprovechar una gama más amplia del espectro solar, mejorando así la eficiencia global de conversión de energía.

Aprovechamiento de múltiples longitudes de onda

Las células solares tándem pueden estar diseñadas para absorber diferentes longitudes de onda de la luz solar en cada capa, lo que aumenta la eficiencia al capturar una mayor cantidad de energía solar.

Menor pérdida de energía por disipación de calor

Al distribuir la carga de trabajo entre varias capas, las células solares tándem tienden a generar menos calor en comparación con las células solares convencionales. Esto reduce las pérdidas de energía asociadas con la disipación de calor.

Flexibilidad en diseño y materiales

Las células solares tándem ofrecen flexibilidad en términos de diseño y selección de materiales. Esto permite a los ingenieros personalizar la estructura para satisfacer las necesidades específicas de eficiencia, costo y aplicaciones particulares.

Mejora de la estabilidad y vida útil

Al utilizar capas de materiales con propiedades complementarias, las células solares tándem pueden mitigar algunos de los problemas de degradación que afectan a las células solares convencionales. Esto puede resultar en una mayor estabilidad y una vida útil más prolongada.

Reducción de costes a largo plazo

Aunque la tecnología de células solares tándem puede tener costes iniciales más altos, la mejora en la eficiencia puede traducirse en una mayor producción de energía a lo largo del tiempo. Esto implica que el coste por unidad de energía sea más competitivo a largo plazo.

Adaptabilidad a diferentes condiciones de iluminación

Al ajustar las capas de células solares para absorber diferentes longitudes de onda, las células tándem pueden ser más efectivas. Se ha verificado en condiciones de luz variable y en diferentes ubicaciones geográficas.

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Investigadores alemanes desarrollan células solares tandem

Buscando cómo entender los paneles fotovoltaicos, los cientificos de la Universidad de Wuppertal encontraron la inspiración. Empezaron a usar materiales orgánicos y semiconductores de perovskita novedosos. Ambas tecnologías han experimentado un rápido desarrollo en los últimos años. Su rendimiento se ha elevado hasta estar próximo al silicio. Este elemento esta escaseando por su gran aplicación como componente esencial en ordenadores y paneles solares. Los avances en el desarrollo de estas celulas solares tandem necesitan menos materiales y menos energía en su fabricación, por eso, se muestran como una tecnología más sostenible.

Mantienen las pérdidas lo más bajas posible, utilizando una capa ultrafina de óxido de indio para el acoplamiento. Esta capa tiene un espesor de sólo 1,5 nanómetros. Esto es posible gracias a la llamada deposición de capas atómicas, una tecnología de recubrimiento. Esta investigación contribuye a que las células solares con eficiencias similares y menorres costes, también estarán disponibles para aplicaciones en la Tierra a corto plazo.