Investigadores avanzan en la producción de material solar

Los investigadores demostraron que podían cultivar rápidamente una gran cantidad de material CdTe de alta pureza, un cristal de más de un kilogramo en un día, que se consideraría muy rápido en la industria. La técnica, que utiliza un horno de alta presión para producir grandes cantidades de material de alimentación de CdTe, es un 45% más rentable que el estándar de la industria y es escalable, lo que podría hacer que la tecnología solar de CdTe sea menos costosa que el gas natural. El material de cristal producido también tiene mejores propiedades eléctricas para la producción de células solares que las disponibles actualmente.  

Trabajando en colaboración con el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) y el socio de la industria Nious Technologies, Inc., los investigadores informaron sobre su trabajo en el Journal of Crystal Growth.  

Los fotovoltaicos de CdTe son una tecnología más nueva que las populares células solares de silicio y son competitivos en términos de eficiencia. También funcionan mejor en climas cálidos y húmedos. Si bien las células solares CdTe podrían proporcionar ventajas significativas en costo y eficiencia sobre el silicio, actualmente representan menos del 10% del mercado solar, principalmente en la escala de servicios públicos. En particular, los métodos de producción actuales son lentos, costosos, engorrosos y carecen de la flexibilidad para personalizarlos.

"En este momento hay un gran problema en la producción de materias primas", dijo Santosh Swain, profesor asistente de investigación del Instituto de Investigación de Materiales y coautor del artículo. "La industria solar ha aumentado constantemente la eficiencia de los dispositivos y la fabricación de dispositivos, pero las mayores ganancias de eficiencia y la reducción de costos requieren mejoras en las propiedades de los materiales de CdTe".  

El proceso de fabricación actual implica sintetizar el material CdTe en un tubo de cuarzo sellado para contener la reacción. Lleva mucho tiempo, los tubos no son reutilizables y el vidrio de sílice está limitado en la cantidad de calor, masa y presión que puede soportar. Debido a las preocupaciones sobre la explosión del material, la industria está limitada en el tamaño de los cristales que pueden producir. Para hacer células solares, los cristales se evaporan sobre sustrato de vidrio para hacer películas muy delgadas.

La nueva técnica utiliza un crisol de grafito fuerte, y el material se sintetiza en un horno Bridgman de alta presión. El entorno de alta presión elimina por completo la posibilidad de explosiones y también permite a los investigadores agregar fácilmente una alta concentración de materiales adicionales, llamados dopantes, durante el proceso de fabricación que mejora el rendimiento del material. En 2016, el equipo de investigación de WSU en colaboración con NREL y la Universidad de Tennessee mejoró drásticamente la tecnología CdTe al agregar fósforo como dopante, superando un límite de 1 voltio que se había perseguido durante seis décadas. Para este proyecto, los investigadores agregaron arsénico como dopante.  

Agregar los dopantes altamente volátiles durante el proceso de fabricación de materias primas también elimina la necesidad de dopar después de la deposición de la película, lo que puede causar problemas de falta de uniformidad, dijo Tawfeeq Al-Hamdi, estudiante de doctorado y autor principal del artículo.  

"El dopaje es una estrategia clave", dijo el coautor Seth McPherson. "A 80 atmósferas de presión, realmente puedes empujar los dopantes en el material, y no tienes que preocuparte de que se evaporen del cristal o de que se escapen del sistema".  

Los investigadores crearon cristales de 1,2 kilogramos de tamaño, pero podrían crear cristales de hasta 20 kilogramos.  

El proyecto fue financiado por el Departamento de Energía.  

 Te puede interesar: Las centrales eléctricas de combustibles fósiles son fundamentales para la integración de energía solar y eólica