La codiciosa luminaria: por qué la energía solar no conquistó el mundo y cómo el "mineral ruso" puede salvarlo

La energía solar es una de esas áreas donde las buenas intenciones de la humanidad están casi siempre por delante de las capacidades técnicas y las realidades económicas. El creador del primer panel solar, el inventor estadounidense Charles Frits, predijo en 1881 que muy pronto las plantas de energía ordinarias serían reemplazadas por plantas solares. Y esto a pesar del hecho de que la instalación que creó tenía una eficiencia de solo el 1%, es decir, exactamente tanta luz solar se convirtió en electricidad. Después de 140 años, el sueño de Charles Fritts nunca se hizo realidad: la energía solar todavía está luchando por un lugar en el sol con molinos de viento, generadores, fuentes geotérmicas y minerales. ¿Qué frena la revolución solar y qué métodos están tratando de mejorar los paneles solares?

Parece que después de haber inventado la energía solar, extendimos un cable invisible al reactor más poderoso de nuestro sistema planetario, que no se apagará durante al menos otros cinco mil millones de años (y lo pensaremos). Pero a la humanidad le llevó casi un siglo aumentar la eficiencia del panel solar en solo cinco puntos porcentuales; esto sucedió cuando los científicos de Bell Labs crearon una batería más potente en 1954.

Sin embargo, el progreso en energía solar en los últimos años ha sido impresionante. Invierten más en él que en cualquier otra fuente de energía renovable (RES). Al mismo tiempo, el costo promedio de la "electricidad solar" desde 2010 ha disminuido de $ 0.371 a $ 0.085 por kWh.


En los últimos años, las inversiones en energía solar se han estancado. Fuente: Agencia Internacional de Energía Renovable (IRENA), Escuela de Frankfurt-Centro PNUMA / BNEF

Y, sin embargo, la energía solar aún no ha conquistado el mundo. Incluso Alemania, que en la primera mitad de 2019 generó más energía en energías renovables que en carbón y átomos, no tiene prisa por separarse de las capacidades del carbón marrón. Para 2030, se planea reducirlos de los 45 GW actuales a 37 GW. Al mismo tiempo, el éxito económico de la energía solar todavía está garantizado en gran medida por las políticas fiscales y los subsidios. Esto explica una paradoja: los precios de la electricidad al por mayor en Alemania se encuentran entre los más bajos de Europa, y los precios finales están entre los más altos.

¿Por qué la energía solar todavía necesita "muletas financieras"? Los motivos son los siguientes:

• la energía solar sigue sin ser la más eficiente: el factor de utilización de la capacidad instalada (KIUM), es decir, la relación entre la energía realmente generada y la energía proyectada establecida por el fabricante para los paneles solares, es 13-18% en invierno y 30-35% en verano, que es el más bajo entre otros RES, así como gas y carbón;
• de ahí el mayor costo de la energía solar: el promedio mundial es de $ 0.085 por kWh, mientras que en bioenergía: $ 0.062, para fuentes geotérmicas: $ 0.072, centrales hidroeléctricas: $ 0.047; solo el competidor más cercano es más caro: los parques eólicos lejos del mar con un indicador de $ 0,127, aunque los de alta mar proporcionan energía a $ 0,056 por kWh;
• la inestabilidad de la llegada de fotones desde la luminaria nos obliga a usar dispositivos adicionales para la acumulación y distribución de energía (por cierto, hablamos de una solución a este problema);
• El sistema de energía solar necesita mucho espacio, ya sea una gran estación en el campo (y el terreno cerca de las ciudades es costoso) o una instalación eléctrica doméstica, a la que no solo debe conectar el inversor y la batería, sino también proporcionar acceso para el mantenimiento.

Para resolver estos problemas, debe hacer que los paneles solares sean más baratos, más eficientes y, en el sentido literal de la palabra, flexibles.

Dictado de silicio

Los paneles solares consisten en un material que captura bien la energía de la luz. Por lo general, este material se encuentra entre placas de metal que transportan energía atrapada por la cadena. En ese mismo panel solar de 1954 producido por los ingenieros de Bell Labs, el silicio desempeñó un papel importante. Con muchas modificaciones, todavía domina la producción de células solares para células solares, que constituyen la base del 95% de los paneles.

Durante medio siglo, la humanidad ha desarrollado varios tipos de células solares de silicio. La mayor parte del mercado mundial está ocupada por paneles de silicio policristalino. Están en demanda debido a la disponibilidad relativa, que se debe a una tecnología de producción más barata. Pero la eficiencia de tales paneles es menor que la de los análogos (14-17%, máximo - 22%). Una opción más costosa, pero también más efectiva, son los paneles de silicio de cristal único. Su eficiencia es de aproximadamente 22% (máximo - 27%).


Qué tecnologías para la producción de paneles solares dominan el mundo. Como puede ver, los módulos solares policristalinos (61%) se producen principalmente, mono (32%) en menor medida, y muy pocos de película delgada (amorfa) - 5%. Fuente: Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar; PSE Conferences & Consulting GmbH

A pesar del progreso en la economía y la tecnología de los paneles solares, su costo sigue siendo alto. A esto deben agregarse los costos de crear la planta de energía real (controlador, inversor, batería), sin la cual la batería no funciona. En diferentes países, estos valores fluctúan, pero la parte de los gastos, de hecho, en la unidad fotovoltaica sigue siendo alta.


¿En qué consiste el costo de un "kilovatio solar" en diferentes países? Como puede ver, en los principales países la introducción de energía solar de un tercio a casi la mitad de los costos es el costo del módulo. Fuente: Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA)

No silicio solo

En un intento por desarrollar paneles más eficientes, se crearon módulos de película delgada (amorfo). Su esencia es simple: el material que atrapa la luz se aplica en una capa muy delgada a la película, lo que hace que el panel sea más fácil y más flexible, y su producción requiere menos materiales.

Es cierto que su eficiencia es mucho menor que la de sus colegas en la tienda de energía solar: 6-8% para las opciones de silicio. Sin embargo, las células solares de película delgada ganan al costo porque requieren una capa de sustancia que atrapa la luz con un ancho de solo 2 a 8 micras, que es solo alrededor del 1% de lo que se usa en los módulos cristalinos convencionales.

Pero los paneles de película delgada no son ideales: debido a su baja eficiencia, requieren aproximadamente 2.5 veces más espacio en el piso. Esto llevó a los científicos a seguir buscando material más efectivo, que, por un lado, sea adecuado para la tecnología de películas y, por otro, será más efectivo. Así es como aparecieron los paneles, basados ​​en compuestos más exóticos: telururo de cadmio (CdTe) y seleniuro de indio-cobre-galio (CIGS). Estos elementos tienen una mayor eficiencia: en el primer caso, el indicador alcanza el 22% y en el segundo, el 21%. Dichos sistemas pierden menos eficiencia al aumentar la temperatura y funcionan mejor en condiciones de poca luz. Sin embargo, su costo es más alto que los análogos de silicio debido a la rareza de los materiales utilizados. Algunos científicos incluso creen que tales paneles nunca dominarán el mercado, porque no tendrán suficientes recursos naturales. Por lo tanto, este tipo de panel solar se ha convertido en un producto de nicho adecuado para los propósitos específicos de un círculo estrecho de consumidores. La mayoría de las veces, los consumidores con una gran cantidad de espacio utilizan paneles de película delgada: empresas manufactureras, edificios de oficinas, universidades y centros de investigación, grandes edificios de apartamentos (con un techo espacioso), así como, de hecho, granjas solares, grandes plantas de energía. Las economías de escala y la relativa facilidad de instalación de los paneles de película delgada más fuertes y livianos ayudan a nivelar su eficiencia relativamente más baja (en comparación con el silicio cristalino). Mientras tanto, continúa la búsqueda del "receptor" ideal de fotones.

Hola desde el conde ruso

Un candidato para el papel de un posible salvador de la energía solar puede ser un material llamado perovskita. El primero de ellos, el titanato de calcio, fue encontrado en 1839 por el alemán Gustav Rosa en las profundidades de los minerales de los Urales y lo nombró con el nombre del coleccionista de rocas ruso Conde L. A. Perovsky, por lo que a veces se le llama el "mineral ruso".

Hoy, cuando se habla de perovskita, a menudo se refieren a toda una clase de sustancias que tienen la misma estructura cristalina de tres partes, detectada por primera vez en titanato de calcio. Aunque en forma pura tales sustancias rara vez se encuentran en la naturaleza, se obtienen fácilmente de la masa de otros compuestos, y los cristales de perovskita se pueden cultivar artificialmente. Cada parte de la estructura de la perovskita puede estar hecha de varios elementos, lo que proporciona una amplia gama de posibles composiciones del "captador de fotones", que incluyen plomo, bario, lantano y otros elementos. Por lo tanto, ya se ha establecido que la combinación de perovskita con algunos metales alcalinos permite la creación de una fotocélula solar con una eficiencia de hasta el 22%, y el poder teórico de los compuestos basados ​​en perovskita alcanza el 31%.

Sin embargo, trabajar con perovskita no es tan simple, y nosotros en Toshiba estábamos convencidos de esto. Después de la aplicación a la película, la perovskita cristaliza muy rápidamente, lo que dificulta la creación de una capa uniforme sobre un área grande. Mientras tanto, esta es la tarea principal al crear una célula solar: lograr la mayor superficie posible mientras se mantiene una alta eficiencia de conversión de energía.

En junio de 2018, Toshiba produjo una célula solar basada en perovskita de película delgada con el área de superficie más grande y la eficiencia de conversión de energía más alta del mundo. ¿Cómo lograste hacer esto?

Dividimos los ingredientes necesarios para la formación de perovskita (solución de yoduro de plomo - PbI₂, hidroyoduro de metil amonio - MAI). Primero, recubrimos el sustrato con una solución de PbI , y luego con una solución de MAI. Gracias a esto, pudimos ajustar la tasa de crecimiento de cristales en la película, lo que permitió crear una capa delgada y uniforme de gran superficie.


Tecnología de fabricación de módulos solares basada en perovskita. De hecho, creamos "tinta" a partir de los elementos constitutivos de la perovskita y los "untamos" en el sustrato. Fuente: Toshiba

Economía de perovskita

Aunque es demasiado pronto para hablar sobre indicadores económicos específicos del uso de perovskita, dado que el amplio uso práctico de este material en paneles solares se predice después de 2025, el "mineral ruso" tiene los requisitos previos para un futuro grande y exitoso. Según los expertos del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL), la producción de paneles de perovskita será diez veces más barata que la de sus homólogos de silicio. No menos importante porque, para la fabricación de células solares de silicio predominantes, se requiere el procesamiento del material a una temperatura de más de 1,400 grados y, en consecuencia, se requiere un equipo sofisticado. Mientras tanto, las perovskitas se pueden controlar en una solución líquida a una temperatura de 100 grados en un equipo simple (como en nuestro experimento).


El módulo basado en perovskita que creamos tiene un área de 703 metros cuadrados. ver. Y la eficiencia de conversión de energía que obtuvimos alcanzó el 12%. Fuente: Toshiba

Hay otras dos ventajas de las fotocélulas de perovskita: flexibilidad y transparencia. Gracias a ellos, los paneles solares de perovskita se pueden instalar en varios lugares: en las paredes, en los techos de vehículos y edificios, en ventanas e incluso en la ropa.

Al ajustar el grosor de la capa de perovskita, es posible controlar la transparencia de las células solares basadas en este material. Por ejemplo, puede usarse para cubrir invernaderos : las plantas recibirán la cantidad correcta de fotones, y parte de ellos serán suministrados por la red eléctrica de la granja. Ya se están llevando a cabo experimentos para determinar la proporción razonable consumida por las plantas y los paneles de luz en Japón.

Otro posible campo de aplicación es equipar automóviles eléctricos con paneles solares basados ​​en perovskita. Si bien estamos en el comienzo de este camino, pero ya hay primeros logros. Entonces, los científicos de la Western Reserve University of Cayes (Ohio, EE. UU.) Experimentaron utilizando pequeños paneles solares basados ​​en perovskita para recargar las baterías de los vehículos eléctricos. Conectaron cuatro células solares basadas en perovskita a baterías de litio. Cuando se conecta para cargar pequeñas baterías de iones de litio del tamaño de una moneda, el equipo de científicos logró una eficiencia de conversión del 7,8%, que es la mitad de las células solares de película delgada convencionales.

También es posible que pronto cintas de paneles solares de perovskita decoren su camisa o chaqueta . Ya se sabe acerca de la aplicación de perovskita sobre un sustrato de poliuretano, cuya eficiencia en la absorción del sol alcanzó el 5,72%.

Y en Rusia, fueron aún más lejos en experimentos con perovskita. Al final resultó que, este material puede ser un buen emisor y es adecuado para generar luz. Científicos del Instituto de Acero y Aleaciones de Moscú (MISiS) y la Universidad de Tecnología de la Información, Mecánica y Óptica de San Petersburgo han desarrollado una célula solar basada en perovskita que puede funcionar simultáneamente como batería y como LED . La base es la perovskita halógena. Para cambiar las funciones, es suficiente cambiar el voltaje suministrado al dispositivo: a un nivel de hasta 1.0 V, el prototipo funciona como una célula solar, y si se suministra más de 2.0 V, se activa el modo LED. En el futuro, los científicos pueden desarrollar películas de vidrio que generarán energía durante el día y emitirán luz en la oscuridad. En este caso, el espesor máximo de la película no excede las 3 micras, lo que preservará la transparencia del vidrio. Es decir, no estará oscuro.


En casi todos los aspectos, la perovskita es superior a sus competidores, incluido el costo promedio de electricidad a lo largo de la vida de una célula solar de un material dado (Costo nivelado de energía, LCOE). Las dificultades son posibles solo con la eliminación de paneles obsoletos debido a la toxicidad de los compuestos de perovskita. Fuente: Grupo de Ingeniería Molecular de Materiales Funcionales (GMF), Suiza

Economías de escala

Por lo tanto, la perovskita puede ayudar a promover la energía solar no solo por su asequibilidad económica, sino también por su alcance mucho más amplio: además de la industria, la ciudad y la agricultura, los paneles a base de perovskita se pueden usar incluso en la vida cotidiana, en particular en la producción de pequeños electrónica, electrodomésticos e incluso ropa. Y cuanto más amplia sea la gama de aplicaciones, mayor será la capacidad del mercado, lo que atraerá a nuevos inversores y reducirá el costo de la electricidad solar.