Los paneles fabricados con estas diminutas células, que la compañía Semprius, con sede en Durham, Carolina del Norte, ha desarrollado utilizando una novedosa tecnología de microimpresión, también ofrecen ahorros significativos en cuanto al coste de los materiales. A finales de enero, la compañía anunció un acuerdo conjunto con Siemens para desarrollar sistemas de demostración basados en su tecnología. Semprius tiene previsto empezar la producción a gran volumen de los módulos en 2013.
Al añadir lentes concentradoras a los paneles solares se logra incrementar la cantidad de electricidad que pueden producir. Sin embargo los concentradores fotovoltaicos añaden una gran cantidad de gastos a las instalaciones solares. Los sistemas ópticos por sí mismos son caros y de gran volumen—cuando más grande sea la célula, más grandes tienen que ser las lentes con las que se emparejen. Un tipo de luz más intensa también hay que disipar una mayor cantidad del tipo de calor que provoca la degradación del rendimiento, y para ello es preciso usar disipadores de calor o ventiladores. Aunque el coste se ve parcialmente compensado por la eficiencia de los componentes fotovoltaicos de alta concentración, también limita la energía potencial de este tipo de sistemas de concentración. Los dos principales proveedores de módulos solares concentrados, Amonix y Emcore, venden sistemas basados en células de tamaño convencional capaces de operar a 500 veces la concentración de la luz solar y usando unos costosos sistemas de enfriado.
Los módulos solares de Semprius contienen matrices de células cuadradas de sólo 600 micrómetros en cada lado. Estas células poseen tres capas de semiconductor—cada una de las cuales está basada en arsienuro de galio y absorbe un banda de luz solar distinta—y están fabricadas usando una combinación de grabado químico e impresión, lo que significa que se desperdicia una menor cantidad de material. Son capaces de operar bajo luz solar concentrada hasta 1.000 veces, y utilizando sistemas ópticos de bajo coste. Según los Laboratorios Nacionales de Energía Renovable, la eficiencia de los módulos resultantes va desde un 25 a un 35 por ciento, y pueden proporcionar electricidad por alrededor de 10 centavos por kilovatio hora. La compañía espera que el coste final esté entre 2 y 3 dólares por vatio.
El año pasado, un estudio realizado por investigadores de los Laboratorios Nacionales Sandia en Alburquerque, Nuevo México, sugirió que las células solares a microescala podrían ofrecer varias ventajas en cuanto a coste y diseño. “Se reduce la cantidad de semiconductor necesaria, por lo que se produce un gran ahorro de costes,” afirma Gregory Nielson, científico jefe del proyecto Sandia. “Y con los componentes ópticos se pueden hacer cosas que no podemos hacer con las células de mayor tamaño.”
Las células solares más pequeñas son más eficientes a la hora de disipar el calor. “Cuando las células están por debajo de un milímetro, rechazan el calor de forma tan eficiente que alcanzan la temperatura de un panel solar,” sin necesidad de usar sistemas de enfriado, señala Nielson. Esto de debe a que las diminutas células tienen un porcentaje mucho mayor del área total destinada a los bordes disipadores de calor.
La clave para fabricar las células de Semprius es un proceso de impresión desarrollado por un grupo de investigadores dirigidos por John Rogers, profesor de ciencias de los materiales e ingeniería en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
Las células solares normalmente se fabrican mediante la construcción de capas activas sobre la superficie de una oblea semiconductora, y después se corta dicha oblea en trozos. El proceso de impresión de Semprius comienza con el tratamiento de las obleas de un modo bastante similar. Sin embargo, en vez de cortarlas, la compañía utiliza técnicas de grabado químico para marcar la superficie de la oblea y crear células a escala microscópica, dejándolas unidas a la superficie de la oblea. Lo principal del proceso de grabado es la inclusión de una capa de sacrificio en el momento de tratar las obleas. El grabador químico corroe esta capa, partiendo las células de la superficie. Después un robot con un sello de polímero se coloca sobre la oblea, recogiendo las células y colocándolas sobre una matriz de soporte de cerámica impresa con contactos eléctricos. El proceso utiliza sólo una fina capa de la superficie de la oblea, que se puede devolver a la fundición para volver a ser utilizada. Cada oblea de cuatro pulgadas se puede usar para producir 36.000 células.
Después sobre cada célula se colocan unas diminutas lentes de bola esférica. “Normalmente se forma un enorme punto en el centro de la célula, pero la lente de bolas distribuye uniformemente la luz,” señala Joseph Carr, director general de Semprius. Estas lentes capturan la luz del sol desde un amplio ángulo. Finalmente, las células se agrupan en matrices de 14 pulgadas, y sobre ellas se colocan unas lentes de silicio capaces de dirigir la luz del sol sobre las lentes globulares más pequeñas. Esto hace que el sistema concentre la luz solar 1.000 veces. Estas matrices se colocan sobre un seguidor de luz para construir módulos solares de 18 por 8 pies.
Semprius tiene planeado otorgar la licencia de su tecnología de impresión para permitir el volumen de producción de los módulos que se espera en 2013. La compañía planea desarrollar sistemas de control del seguimiento solar con Siemens, y desarrollar aún más su tecnología de microimpresión, que es compatible con una variedad de materiales semiconductores, entre los que se incluye el silicio.