El CIEMAT, Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas ha comunicado un nuevo proyecto para avanzar en la energía circular. Se trata de desarrollar un proyecto de reciclaje en módulo solares fotovoltaicos, dando la máxima prioridad al reciclaje, la reparación y la reutilización como pilares para alargar el ciclo de vida de los módulos.
El proyecto FOTOVOL3R está financiado por la Convocatoria 2020 del Programa Estatal de I+D+i Orientada a los Retos de la Sociedad. El proyecto ‘Circularidad de los sistemas FOTOVOLtaicos mediante el Reciclaje, la Reparación y la Reutilización de los módulos fotovoltaicos’ (FOTOVOL3R) continúa una línea de trabajo del Ciemat de otros proyectos anteriores.
El objetivo del proyecto FOTOVOL3R es apostar por la energía circular, es decir, una paso adelante en sostenibilidad mediante la energía solar fotovoltaica. En este proyecto, se estudiará el estudio del ciclo de vida de los generadores de energía solar fotovoltaica y técnicas de caracterización de paneles solares. Se buscarán fallos en paneles solares aplicando novedosas técnicas y se repararán ciertas averías en paneles solares.
El proyecto se centrará en mejorar la economía circular de los paneles fotovoltaicos. Abordará el análisis del ciclo de vida de los procesos desarrollados (ACV) y la evaluación de la percepción social de la energía solar fotovoltaica. También, se aplicarán técnicas actuales de reciclado y reparación de paneles solares.
El proyecto FOTOVOL3R: reciclaje en modulo ssolares
Para desarrollar FOTOVOL3R, se han establecido tres grupos de investigación del Ciemat. El primero de ellos es el grupo de Energía Solar Fotovoltaica, que se centrará en la parte experimental de análisis de defectos y reparación de paneles solares. El segundo grupo es la Unidad de Análisis de Sistemas Energéticos, que se encargará del análisis del ciclo de vida, ambas unidades del departamento de Energía.
Por último, el Centro de Investigación Socio-técnica (Cisot-Ciemat), del departamento de Medio Ambiente evaluará la percepción social de la energía solar fotovoltaica. Asimismo, se cuenta con el apoyo del grupo de Desarrollo de Aplicaciones y Sistemas Informáticos para colaborar en la difusión.
También participa la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), donde se instalará y ensayará un demostrador con módulos reparados, mientras que el Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico (Miterd), a través de su Subdirección General de Economía Circular, aportará sus conocimientos sobre la estructura pública y privada en cada una de las fases de la economía circular y servirá de enlace con la administración española.
El Ciemat cuenta con una amplia experiencia en el análisis de la duración y operatividad de los sistemas fotovoltaicos, gracias al desarrollo de otros proyectos, como el proyecto Solrecycle, el proyecto Confianza FV o el proyecto Eranetmed, cuyos resultados serán la base para acometer los retos del actual proyecto FOTOVOL3R.
Otras investigaciones de módulos solares de alta eficiencia
Las perovskitas tienen el potencial de revolucionar la industria de la tecnología solar. Flexibles y livianos, prometen más versatilidad que las células pesadas y rígidas basadas en silicio que actualmente dominan el mercado. Pero los científicos deben superar algunos obstáculos importantes antes de que se puedan comercializar perovskitas.
Hay tres condiciones que deben cumplir las perovskitas: deben ser baratas de producir, altamente eficientes y tener una larga vida útil. El coste de hacer células solares de perovskita es bajo. Las materias primas baratas requieren poca energía para procesarse. En poco más de una década, los científicos han hecho grandes avances para mejorar la eficacia. Las células solares de perovskita convierten la luz solar en electricidad. Esto lo consiguen con niveles de eficiencia ahora comparables a los de las células a base de silicio.
Las dificultades de la investigación
Sin embargo, una vez que se amplió de pequeñas células solares a módulos solares más grandes, los niveles de eficiencia de las células de perovskitas caen en picado. Esto es problemático ya que la tecnología solar comercial necesita mantenerse eficiente en el tamaño de los paneles solares, de varios pies de longitud.
La ampliación es muy exigente. Cualquier defecto en el material se vuelve más pronunciado. Se necesita materiales de alta calidad y mejores técnicas de fabricación. La inestabilidad de las perovskitas es otro tema clave bajo una intensa investigación. Las células solares comerciales deben ser capaces de resistir años de operación. Sin embargo, actualmente las células solares de perovskita se degradan rápidamente.
Las capas de perovskita
Investigaciones del Centro de Desarrollo e Innovación Tecnológica OIST han diseñado nuevas capas en los modulos solares de alta eficiencia. Se han abordado los problemas de estabilidad y eficiencia utilizando un nuevo enfoque. Los dispositivos solares de perovskita están formados por múltiples capas. Cada una con una función específica. En lugar de centrarse en una sola capa, observaron el rendimiento general del dispositivo y cómo las capas interactúan entre sí.
La capa activa de perovskita, que absorbe la luz solar, se encuentra en el centro del dispositivo, intercalada entre las otras capas. Cuando los fotones de luz golpean la capa de perovskita, los electrones cargados negativamente aprovechan esta energía y «saltan» a un nivel de energía más alto, dejando atrás «agujeros» cargados positivamente donde solían estar los electrones.
Estas cargas se desvían en direcciones opuestas en capas de transporte de electrones y agujeros por encima y por debajo de la capa activa. Esto crea un flujo de carga, o electricidad, que puede salir del dispositivo solar a través de electrodos. El dispositivo también está encapsulado por una capa protectora que reduce la degradación y evita que los químicos tóxicos se filtren al medio ambiente.
La primera capa con EDTAK
En el estudio, los científicos trabajaron con módulos solares de 22,4 cm2. Los científicos primero mejoraron la interfaz entre la capa activa de perovskita y la capa de transporte de electrones, al agregar un químico llamado EDTAK entre las dos capas.
Descubrieron que EDTAK evitaba que la capa de transporte de electrones de óxido de estaño reaccionara con la capa activa de perovskita, aumentando la estabilidad del módulo solar.
El EDTAK también mejoró la eficiencia del módulo solar de perovskita de dos maneras diferentes. En primer lugar, el potasio en el EDTAK se trasladó a la capa activa de perovskita y «curó» pequeños defectos en la superficie de la perovskita. Esto evitó que estos defectos atraparan los electrones y agujeros en movimiento, lo que permitió generar más electricidad.
El uso de EDTAK también aumentó el rendimiento al mejorar las propiedades conductoras de la capa de transporte de electrones de óxido de estaño. Esto facilita la recolección de electrones de la capa de perovskita.
Usando EAMA
Los científicos realizaron mejoras similares en la interfaz entre la capa activa de perovskita y la capa de transporte de agujeros. Esta vez, agregaron un tipo de perovskita llamada EAMA entre las capas. Esto mejoró la capacidad de la capa de transporte de agujeros para recibir agujeros.
El dispositivo tratado con EAMA también mostró una mejor estabilidad bajo pruebas de humedad y temperatura. Esto se debió a cómo EAMA interactúa con la superficie de la capa activa de perovskita, que es un mosaico de granos de cristal.
En dispositivos solares sin EAMA, los científicos vieron que se formaron grietas en la superficie de la capa activa, que se originó a partir de los límites entre estos granos. Cuando los científicos agregaron EAMA, observaron que el material de perovskita adicional llenó los límites de los granos y evitó la entrada de humedad, evitando que se formen estas grietas.
El equipo también modificó la capa de transporte del pozo, al mezclar una pequeña cantidad de polímero llamada PH3T. Este polímero aumentó la resistencia a la humedad al proporcionar a la capa propiedades repelentes al agua.
El polímero también resolvió un problema importante que anteriormente había obstaculizado las mejoras a la estabilidad a largo plazo. El electrodo en la parte superior del módulo solar de perovskita está formado por delgadas tiras de oro. Pero con el tiempo, pequeñas partículas de oro migran desde el electrodo, a través de la capa de transporte del orificio y hacia la capa de perovskita activa. Esto perjudica irreversiblemente el rendimiento del dispositivo.
Cuando los investigadores incorporaron PH3T, encontraron que las partículas de oro migraron al dispositivo más lentamente, lo que aumentó significativamente la vida útil del módulo.
La última capa de parileno
Para su mejora final, los científicos agregaron una capa delgada de polímero, parileno, además de vidrio, para proporcionar una capa protectora al módulo solar. Con esta protección adicional, los módulos solares mantuvieron aproximadamente el 86% de su rendimiento inicial, incluso después de 2000 horas de iluminación constante.
El último paso fue montar las capas de células solares sobre un módulo solar. Estos módulos solares mejorados y obtuvieron una eficiencia del 16,6%. Se trata de una eficiencia muy alta para un módulo solar de ese tamaño.
Los investigadores ahora apuntan a llevar a cabo estas modificaciones en módulos solares más grandes, liderando el camino hacia el desarrollo de tecnología solar comercial a gran escala en el futuro.
Fuente: Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST). Dani Ellenby.
