La célula TPV: ¿La nueva revolución solar?

La energía solar es sin duda alguna el recurso energético renovable por excelencia, el mas conocido y el mas utilizado. Dentro de los objetivos de sostenibilidad y liderazgo energético de la Unión Europea, se encuentra la necesidad de desarrollar la cadena de valor fotovoltaica, es decir, todos los procesos para el desarrollo y constitución de sistemas de generación solar fotovoltaica. Al ser España uno de los países de la unión con mas recurso solar, tenemos la capacidad y fuerza potencial necesarias para hacer realidad este objetivo. Otros países como Italia también son relevantes, ya que disponen de la gigafactoría de módulos más grande de Europa, la planta de 3Sun con 200 MW/año de capacidad (que se ampliarán hasta los 3 GW anuales para 2024), y empresas como NorSun o Meyer Burger pueden labrar ese camino que nos llevará a una industria solar competitiva a nivel global.

Sin embargo, en este ambiente propicio en el que nos encontramos e impulsado por el nuevo Plan Industrial Verde Europeo (The Green Deal Industrial Plan), el desarrollo de nuevas tecnologías y el I+D comienzan a adoptar un protagonismo importante. Otras formas novedosas de aprovechamiento de energía solar nacen, y la célula termo-fotovoltaica es una de esas ideas tan asombrosas e interesantes, la cual vamos a abordar en este artículo.

La célula TPV: ¿La nueva revolución solar?

La célula termo-fotovoltaica (o TPV) es un dispositivo que aprovecha la radiación infrarroja del espectro electromagnético (frecuencias de entre 300-430 THz) para generar electricidad mediante el efecto fotovoltaico. En esencia, es una célula estándar pero que aprovecha esta parte del espectro lumínico, y que puede combinarse con sistemas TEGS (Thermal Energy Grid Storage) que trabajan a muy altas temperaturas (T > 2000ºC), aunque la forma de hacerlo requiere de un emisor de infrarrojo, el cual se pone incandescente para emitir esta radiación aprovechable. Las turbinas convencionales, que utilizan un gas a gran presión para generar movimiento, no pueden adaptarse a este rango de temperatura, por lo que una célula de este tipo puede absorber esta energía, emitida en forma de infrarrojo.

Rango de frecuencias del espectro EM absorbidas por TPV

En el artículo que referencio, se ha reportado una eficiencia de hasta un 40 %, que si bien las predicciones teóricas apuntan a que se pueden alcanzar hasta un 50 %, la realidad práctica solo permitía valores de en torno a 32 %, por lo que este nuevo descubrimiento da una buena imagen de la investigación sobre estos novedosos dispositivos.

Las células termo-fotovoltaicas del estudio utilizan semiconductores de tipo III-IV con bandgaps de entre 1-1,4 eV, que equipan además reflectores traseros (o BSR) que redirigen la irradiación transmitida hacia el emisor, que debe alcanzar grandes temperaturas para emitir fotones de frecuencias infrarrojas.

Esquema de la célula TPV equipada con emisor

No obstante, existen aplicaciones de TPV de menor temperatura (T < 1300ºC) que utilizan un bandgap mas reducido, de en torno a 0,73-0,74 eV (como con materiales InGaAs o GaSb). Aún así, las claves para desarrollar una célula TPV competitiva son las siguientes:

• Materiales de alto bandgap y temperatura de emisión.
• Utilización de materiales multi-unión con capacidad de control de bandgap gracias a una estructura epitaxial de alta calidad.
• Integración de BSR para el filtrado de borde de banda (band edge filtering).

 

Además, es clave la densidad de potencia de la célula. El coste CCP en $/W será menor si se puede obtener mayor potencia en un área más pequeña. Por lo que los TPV mas competitivos serán aquellos que puedan alcanzar densidad de potencia altas.

Densidad de corriente (mA/cm2) en función del voltaje (V)

Valores altos de densidad se han obtenido en células de menor bandgap (1-1,2 eV) en comparación con las de mayor energía de banda (1,2-1,4 eV) dado que aprovechan una mayor parte del espectro electromagnético, con lo que se reduce la necesidad de utilizar BSR de mejores especificaciones. Aun así, la eficiencia alcanzada es mayor en células de mayor bandgap.

Eficiencia de la TPV en función de la Tº del emisor

Para reducir las pérdidas de calor en la célula, un BSR de gran reflectividad aumenta la tensión en circuito abierto, que ayuda a reciclar los fotones generados en la reflexión, es decir, los fotones resultantes de la recombinación radiativa. Esto, junto con una configuración de múltiples uniones, incrementa la eficiencia considerablemente.

Estas tecnologías tienen capacidad para integrarse no solo en el almacenamiento térmico de red, sino, además, en aplicaciones de gas natural y combustión de hidrógeno. Puede competir con turbinas de gas, dado que una eficiencia de 40 % es incluso mayor al rendimiento tradicional de turbina, y el coste CCP es inferior a los 0,25 $/W en TPVs, cuando en las turbinas suelen rondar los 0,5-1 $/W.

Además, los TPV tienen un tiempo de respuesta superior, menor mantenimiento, mayor facilidad y flexibilidad para integrarse con fuentes de calor y combustibles. Resulta ser una tecnología realmente prometedora y útil para los objetivos de la transición energética.

Conclusión

Su eficiencia y densidad de potencia muy superiores a las de una célula fotovoltaica convencional pueden servir para aprovechar en mayor medida la luz solar, y por ende reducir el área ocupada por grandes plantas fotovoltaicas. Al tener una integración mayor con sistemas de almacenamiento térmico, puede servir para impulsar los vectores energéticos existentes, como las baterías térmicas o de hidrógeno verde, que utilizarían una energía 100 % verde y sostenible. Su coste por otro lado es mucho menor, dado que una célula fotovoltaica convencional llega a alcanzar los 1-1,5 $/W, mientras que los TPV son casi un 75 % mas baratos.

Si bien todavía no sabemos en que momento esta tecnología tendrá su debut comercial, lo que si vemos es un potencial muy grande y con características que, de ser explotadas, podrían suponer una revolución para traernos de nuevo el aprovechamiento solar térmico. Quizás otras variables como la madurez tecnológica y el know-how puedan suponer una barrera, aunque en principio no lo parece. Quizás el impedimento mas notable es la fabricación en masa, que debe de disponer de una infraestructura de manufactura bien implementada, organizada y conocida. De otra forma, podría atascar el desarrollo comercial de los TPVs y ralentizar su evolución. Este factor suele ser el principal malestar de tecnologías revolucionarias como nuevas células FV o baterías, que son demasiado complicadas y que no consiguen arrancar en nuestra realidad industrial. Habrá que esperar a ver como consiguen alcanzar la fase de fabricación.

Referencias

LaPotin, A., Schulte, K.L., Steiner, M.A. et al. Thermophotovoltaic efficiency of 40%. Nature 604, 287–291 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04473-y