Primera edición, 2010
Primera edición electrónica, 2012
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ISBN 978-607-16-1296-0
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Dr. Guillermo Soberón
Dr. Elías Trabulse
Prólogo
Introducción
I. Fuentes alternas de energía
I.1. Energía atómica
I.2. Energía solar
I.3. Diferentes formas de uso de la energía solar
I.4. Convertidores fotoeléctricos de energía solar
II. Estructuras semiconductoras en equilibrio termodinámico
II.1. Principios generales de la estructura de bandas
II.2. Estadística de portadores de carga en semiconductores en equilibrio
II.3. Semiconductores inhomogéneos. Doblamiento de bandas
II.4. Unión entre dos semiconductores. La diferencia de potencial de contacto
II.5. Contacto metal-semiconductor. Estructura metal-aislador-semiconductor
II.6. Homouniones p-n
II.7. Heterounión p-n. Estados superficiales
III. Portadores de carga fuera de equilibrio. Corriente eléctrica a través de los contactos entre medios conductores
III.1. Rectificación de corriente en contactos metal-metal y metal-semiconductor
III.2. Corriente a través de la capa enriquecida. Contacto óhmico
III.3. Portadores de carga fuera de equilibrio en semiconductores
III.4. Difusión y arrastre ambipolar
III.5. Corriente a través de uniones p-n, p+-p y n+-n
IV. El fenómeno fotoeléctrico
IV.1. Recombinación superficial. Absorción de luz en el semiconductor
IV.2. Fotoconductividad
IV.3. Fuerza fotoelectromotriz
IV.4. Fotofuerza electromotriz Dember y fotofuerza electromotriz volumétrica
V. Principios físicos de la transformación fotoeléctrica de la energía solar en energía eléctrica
V.1. Fuerza fotoelectromotriz de compuerta
V.2. Características generales del fotodiodo p-n
V.3. Eficiencia de un fotoconvertidor
Bibliografía
Este libro presenta en forma rigurosa los fundamentos físicos del funcionamiento de los dispositivos electrónicos, incluyendo los sistemas fotovoltaicos, y pretende contribuir a la formación de recursos humanos de alto nivel dedicados al desarrollo e investigación de dispositivos fotovoltaicos, electrónicos y optoelectrónicos. Está dirigido a los estudiantes universitarios interesados en especializarse en la producción de energía fotovoltaica, pero también a quienes se interesen en el estudio de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos. Será de gran utilidad para los estudiantes de posgrado e investigadores interesados en el tema. La generación de energía fotovoltaica, además de ser de gran importancia social y tecnológica, tiene un enorme atractivo desde el punto de vista básico dado que aún existen problemas fundamentales por resolver. Desde el punto de vista de su aplicación es necesario resolver problemas específicos concernientes a los diversos sistemas fotovoltaicos. El trabajo en ambas vertientes permitirá lograr avances tendientes a alcanzar las eficiencias teóricas. El estudio de sistemas fotovoltaicos representa una gran oportunidad y grandes retos para el desarrollo científico de los estudiantes y jóvenes investigadores. A pesar de que este libro está dedicado al estudio de los sistemas fotovoltaicos, queremos enfatizar que los conceptos tratados aquí son aplicables a cualquier dispositivo electrónico y optoelectrónico dado que los fenómenos de contacto son comunes a todos estos aparatos. A continuación esbozamos la organización del presente libro.
En la introducción se hace una reseña histórica del origen y de los usos de sistemas fotovoltaicos así como del estado actual de su desarrollo y aplicación. También se reseñan los esfuerzos que se hacen en todo el mundo para el desarrollo de los sistemas fotovoltaicos.
El capítulo I analiza las ventajas de las fuentes alternativas de energía. El capítulo II presenta en forma resumida conceptos relacionados con los semiconductores que son fundamentales para el funcionamiento de los dispositivos fotovoltaicos y cualquier dispositivo electrónico y optoelectrónico. En el capítulo III se discute la dinámica de portadores fuera de equilibrio en estructuras semiconductoras de diferente tipo y los fenómenos de transporte a través de diferentes tipos de contactos. En el capítulo IV se presentan los conceptos básicos del funcionamiento de las celdas solares. En el capítulo V se discuten los principios básicos de la transformación de la energía solar en energía eléctrica.
La edición y publicación de un libro es un proceso en el que toman parte muchas personas que permiten enriquecer el contenido y tener una mejor perspectiva del trabajo. Los autores queremos agradecer a todas estas personas y en forma especial al doctor Leopoldo García-Colín por su apoyo y motivación durante la preparación de este libro; a la doctora Esther Orozco, rectora de la Universidad Autónoma de la Ciudad de México, por su apoyo entusiasta para la edición de esta obra; a los doctores Yuri Rubo, Gerardo Contreras Torres y Oleg Gurevich Titov por su cuidadosa revisión y las sugerencias que enriquecieron la presente edición. Miguel Meléndez agradece la hospitalidad del doctor Martín Zapata Torres del Centro de Investigación de Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada (CICATA) del IPN, Unidad Legaria, para realizar una estancia sabática, financiada por el Conacyt, que ha facilitado la revisión final de esta obra. Yuri Gurevich agradece al Prof. Jesús Enrique Velásquez-Pérez su hospitalidad durante su estancia sabática en la Universidad de Salamanca, España, y su ayuda en la preparación de este libro. Por último, damos las gracias a Raúl Zamora por su excelente trabajo en el cuidado de la edición y formación de este libro.
La humanidad ha evolucionado aceleradamente gracias a los desarrollos científicos y tecnológicos que permiten emplear en forma intensiva los recursos naturales. Las diversas formas de producción de energía han tenido un papel fundamental en esta evolución. En todos los ámbitos de la vida urbana se puede constatar el efecto de la energía para hacer más eficientes y confortables las actividades cotidianas. Sin embargo, existen grandes rezagos en aquellos países en los que la disponibilidad de recursos energéticos es desigual entre diferentes sectores de la población. Contar con un suministro energético adecuado ha sido considerado como una condición esencial para lograr un desarrollo humano adecuado [1]. Según cifras del Departamento de Energía de los Estados Unidos de América, el consumo actual de energía en el mundo es de 4.1 · 1020 joules/año, equivalente a 13 TW; si se considera que la población podría alcanzar la cifra de 9 000 millones de habitantes hacia el año 2050, aun usando la energía en forma eficiente, el consumo se vería aumentado a 30 TW y a 46 TW para el fin del siglo. Hasta ahora la producción de energía en el mundo, según cifras de 2003 de la Agencia Internacional de Energía, depende en forma preponderante de los hidrocarburos (carbón, petróleo crudo y gas). (Véase la figura 1.)
FIGURA 1. Fuentes para la producción de energía a nivel mundial [2].
FIGURA 2. Fuentes para la producción de energía en México [3].
En el caso de México la dependencia de los hidrocarburos para la generación de energía es prácticamente total como se puede apreciar en la figura 2.
En la figura 3 se presenta la evolución histórica de los precios del petróleo, tomando en cuenta los efectos inflacionarios en los Estados Unidos de América. Aquí se ilustra claramente el efecto en los precios del petróleo debido al boicot organizado por los países árabes en la década de 1970. También es claro el comportamiento cíclico observado en dichos precios. Un detalle interesante es que en términos generales se observa una tendencia creciente.
Además de generar grandes tensiones geopolíticas por la creciente escasez de fuentes confiables de hidrocarburos, el uso indiscriminado de éstos en la generación de energía ha provocado que el medio ambiente mundial se vea afectado en forma adversa. Es ampliamente aceptado que a raíz de la crisis petrolera de los setenta los países desarrollados empiezan a propiciar el desarrollo de fuentes alternativas de energía. Inicialmente el interés era sólo garantizar el abasto energético, pero la concientización ecológica creciente de la sociedad ha contribuido a generar una buena disposición para continuar con la investigación a fin de desarrollar fuentes renovables de energía. En la crisis de 2009 el gobierno de los Estados Unidos de América ha planteado una inversión creciente en el desarrollo de fuentes alternativas de energía como una de las medidas para la recuperación económica acelerada tomando en cuenta el medio ambiente [5]. Dentro de las múltiples alternativas para la producción de energía renovable, la que se basa en el aprovechamiento de la radiación solar, que es prácticamente ilimitada, toma cada vez mayor importancia. Atractivos adicionales de esta forma alternativa de producción de energía son: 1) no afecta la ecología y 2) permite generar un mayor valor agregado al procesar el petróleo en la industria petroquímica en lugar de quemarlo. En el caso de México, debido a la localización geográfica y a las características topográficas de nuestro territorio, la producción de energía mediante el aprovechamiento de la radiación solar tiene múltiples ventajas.
FIGURA 3. Evolución histórica de los precios del petróleo [4].
La radiación solar que incide diariamente sobre la Tierra deposita en su superficie una potencia de alrededor de 120 000 TW, que es mucho mayor que las necesidades actuales de energía. Vale la pena recordar que el Sol es la fuente natural de energía para la Tierra y que da lugar a la circulación mundial del viento y a las corrientes marinas, la evaporación y la condensación del agua que forma ríos y lagos y regula los ciclos biológicos de la fotosíntesis y de la vida. Si se cubriera 16 % de la superficie terrestre con sistemas de conversión de energía solar con una eficiencia de 10 % se producirían 20 TW de potencia, casi el doble de las necesidades actuales y el equivalente a 20 000 plantas nucleoeléctricas con capacidad de generación de 1 GW. En México la central nucleoeléctrica de Laguna Verde cuenta con dos generadores de 682.5 MW.
La energía del Sol puede emplearse mediante tres vías: 1) producción de electricidad empleando sistemas fotovoltaicos para su uso terrestre y en sistemas espaciales; 2) sistemas solares térmicos que convierten la luz del Sol en energía térmica almacenable y fácil de distribuir, y 3) combustibles solares que permitan la conversión de la energía solar en combustibles fáciles de almacenar y transportar.
El interés de este libro se centra en los sistemas fotovoltaicos. A continuación se hará una reseña histórica de los sistemas fotovoltaicos y de los esfuerzos internacionales para la producción de energía solar basadas en sistemas fotovoltaicos. También se describirá brevemente la situación actual en los países desarrollados y las tendencias modernas en la utilización de nuevos materiales para implementar sistemas fotovoltaicos más eficientes.
Históricamente el gran interés en los convertidores fotoeléctricos se remonta a las aplicaciones espaciales iniciadas en la década de 1950. Los primeros dos satélites de la humanidad fueron lanzados al espacio en 1958. Uno fue el Sputnik III, un satélite soviético, y el otro fue el Vanguard I, un satélite estadounidense. Ambos satélites emplearon como fuente de energía en el espacio la primera batería solar producida con silicio monocristalino; esto representó la primera aplicación de las celdas solares y fue la culminación de un gran esfuerzo de investigación, tanto teórica como experimental, que empezó al final del siglo XIX (1870). Inicialmente esta investigación estaba relacionada con los semiconductores de dióxido de cobre y selenio, materiales en los que se observó por primera ocasión el efecto fotovoltaico.
La capacidad de producir celdas solares basadas en silicio monocristalino fue resultado del gran desarrollo experimentado por la industria electrónica en la década de 1950. Al igual que en la época actual, la importancia estratégica de las aplicaciones espaciales hacía que el costo de producción no fuera un factor importante. La eficiencia de este tipo de celda solar fue de alrededor de 12 a 13 %, en las condiciones de máxima radiación a nivel del mar. En 1972 apareció una nueva familia de celdas solares, que aprovechan la región de alta energía del espectro de radiación solar, alcanzando una eficiencia de 16 %. En 1974 se creó una celda solar de silicio con una eficiencia de 18 a 19 % y se llamó celda de cuerpo negro. En este periodo se alcanzó una saturación en la eficiencia, y para mejorarla fue necesaria la introducción de nuevas ideas. Paulatinamente se ha logrado aumentar la eficiencia de celdas solares basadas en silicio cristalino gracias a pequeñas mejoras en diversos detalles hasta alcanzar la cifra récord de 25 % en el año de 1998 [6]. Es interesante señalar que en el caso de las celdas solares de silicio se necesitó un periodo de alrededor de 50 años para aumentar la eficiencia desde un 6 % hasta un valor cercano al límite teórico [7].
En 1970 los siguientes datos fueron presentados en el Noveno Congreso Internacional de Energía auspiciado por la UNESCO. El carbón constituye 88 % de las fuentes de energía, lo cual es equivalente a 1.2 · 1017 kWh o bien 2.14 · 1016 kWh de petróleo. Esta estimación incluye todas las posibles fuentes disponibles en la Tierra, pero sólo 6.5 % del carbón y 5 % del petróleo y gas pueden aprovecharse. Una de las preguntas más apremiantes es: ¿cuál será la duración de estas reservas? Las estimaciones predicen que para 2050 las necesidades mundiales serán de 15 veces más que toda la energía empleada durante los últimos 80 años y se necesitará emplear alrededor de 70 % de los recursos energéticos disponibles en la Tierra. Una estimación optimista establece que las necesidades para el año 2100 serán el doble de las disponibles en el mundo. Históricamente el precio del petróleo tiene un comportamiento cíclico pero la tendencia global es siempre creciente. Antes de los acontecimientos del 11 de septiembre de 2001 el costo por barril era de alrededor de 11 dólares. Llegó a alcanzar precios de más de 100 dólares en 2008 y de hasta 40 dólares en 2009. Además de su precio, las cuestiones geopolíticas ponen en riesgo la disponibilidad del petróleo, lo que revitaliza la búsqueda de fuentes alternativas de energía competitivas.
Aun cuando la magnitud de las reservas de energía tradicional es un tema preocupante, un problema adicional es el impacto ecológico de estas fuentes de energía: contaminación en las grandes ciudades, lluvia ácida, contaminación de los océanos, producción de CO2 en la atmósfera, disminución de las áreas boscosas (alrededor de 500 km2/día), disminución de la capa de ozono, destrucción de glaciares, etcétera.
Para tener una estimación del impacto ecológico, consideremos los niveles de producción de contaminantes durante la operación de una central termoeléctrica alimentada con carbón. Durante la producción de 1 kW durante un año se producen 2.4 toneladas de cenizas, 30 kg de SO2 y 3 kg de CO2. La producción de cada estación termoeléctrica es del orden de millones de kW. Durante los últimos 100 años la concentración de CO2 en la atmósfera se ha incrementado un 13 %, produciendo el efecto de invernadero, responsable del incremento global de la temperatura. Este fenómeno puede cambiar el clima mundial en forma irreversible. Si la temperatura mundial se incrementara en un grado la temperatura en los polos norte y sur se incrementaría en 10 grados, produciendo un deshielo masivo que conduciría a un aumento del nivel del mar de entre 80 y 90 metros. Todo esto deja claro que la solución a las necesidades futuras de energía no será con base en el petróleo, gas o carbón; es necesario contar con fuentes alternativas de energía. Un argumento adicional de la necesidad de contar con nuevas fuentes de energía es que el petróleo y el gas son las materias primas para la industria química, que es esencial para la vida moderna. Quemar el petróleo y el gas es una forma primitiva de emplearlo. A fin de lograr un desarrollo mundial es necesario contar con fuentes inagotables de energía. Por ahora se conocen sólo dos tipos de energía que reúnen estas características: 1) la energía atómica, incluyendo la fusión termonuclear, y 2) la energía solar, incluyendo energía eólica, energía obtenida por la acción de las mareas, energía térmica del mar, geotérmica, fotosíntesis, etcétera.
Entre las alternativas señaladas anteriormente la producción de energía, a través de la utilización de sistemas fotovoltaicos, posee el atractivo de contar con una base científica sólida y desarrollos tecnológicos que están aumentando la eficiencia en forma sistemática. El desarrollo y la producción de sistemas fotovoltaicos han dependido grandemente del apoyo decidido de gobiernos que planean estratégicamente el desarrollo de sus países; esto se ha incrementado en forma significativa a partir de la crisis del petróleo de los años setenta. Lo anterior se entiende fácilmente debido a que aun cuando el costo de producción de la energía eléctrica por medios fotovoltaicos ha disminuido considerablemente, aún no son competitivos con los costos de producción de la energía eléctrica por medios convencionales. El cuadro I presenta un análisis comparativo de los costos de producción de energía para Europa y los Estados Unidos de América. Las cifras corresponden a estimaciones del año 2003 para los Estados Unidos de América y Europa; los costos externos corresponden a costos ambientales y de salud.
CUADRO I. Costo total de producción para las diferentes fuentes de energía [8].
Prácticamente todos los esfuerzos de investigación y desarrollo se concentran en la reducción del costo de producción del kWh, ya sea mediante la optimización en la producción de las tecnologías actuales o en la mejora de la eficiencia mediante el desarrollo de nuevos materiales o aproximaciones novedosas. Durante cierto tiempo se consideró que, debido a la amplia disponibilidad de la radiación solar, el objetivo era conseguir celdas a costos suficientemente bajos. Eventualmente, para satisfacer las necesidades de energía se podrían cubrir amplias extensiones de terreno con celdas poco eficientes pero muy baratas. Sin embargo, dado que las celdas constituyen sistemas artificiales, al ocupar extensiones muy grandes provocarían cambios climáticos que afectarían la ecología.
FIGURA 4. Evolución histórica de los precios de módulos solares [9].
La producción de sistemas fotovoltaicos en el mundo. A nivel mundial se pueden distinguir dos grandes tendencias en el empleo de sistemas fotovoltaicos. En el caso de aplicaciones en las cuales es difícil contar con un suministro tradicional de energía se opta por sistemas autónomos; este tipo de sistemas se prefiere en países en vías de desarrollo, en los cuales la población se encuentra dispersa o vive en regiones de difícil acceso. El empleo de sistemas fotovoltaicos autónomos en países desarrollados se encuentra principalmente en aplicaciones que requieren gran confiabilidad. Por ejemplo, para la operación de sistemas de comunicaciones como en el caso de Australia o en instalaciones militares estratégicas como en el caso de los Estados Unidos de América. La otra tendencia se puede encontrar primordialmente en países desarrollados en los cuales los sistemas fotovoltaicos tienden a integrarse a la red eléctrica; tal es el caso de Alemania, los Estados Unidos de América y Japón, que en conjunto poseen 85 % de la capacidad de generación de energía fotovoltaica en el mundo.
La figura 4 presenta la evolución histórica de los precios de fabricación de módulos fotovoltaicos, en la cual se puede apreciar una clara tendencia en la reducción de costos.
FIGURA 5. Evolución histórica de la producción de módulos solares [10].
La figura 5 presenta la evolución histórica de la producción de sistemas fotovoltaicos en las diversas regiones.
A continuación haremos una breve reseña del estado en que se encuentra el desarrollo de los sistemas fotovoltaicos en diversos países según información disponible en el año 2002.
Alemania. El gobierno federal ha propiciado el desarrollo de sistemas fotovoltaicos a través de estímulos fiscales dentro de un programa para crear 100 000 techos cubiertos con sistemas fotovoltaicos y así garantizar un precio de 0.51 Euro/kWh para la energía suministrada a la red eléctrica. Los proyectos de investigación y desarrollo se pueden dividir en: 1) estrategias para asegurar un suministro adecuado para la producción de celdas basadas en silicio monocristalino; 2) desarrollo de celdas y módulos basados en silicio enfocados a reducir costos y ahorrar energía en proyectos de gran escala para producción industrial; 3) desarrollo y transferencia a las industrias de celdas de película delgada basadas en silicio, y 4) todos los materiales semiconductores excepto el silicio, por ejemplo: CdTe, CuInSe2 y CuInS2 [11].
Australia. El desarrollo de los fotovoltaicos en Australia ilustra claramente cómo se puede lograr un gran desarrollo tecnológico, apoyado en la ciencia, para satisfacer necesidades de la población. En 1978 se instala el primer sistema de gran escala de comunicaciones telefónicas alimentado por unidades fotovoltaicas generadoras de 1 kW, compuesto por 13 estaciones repetidoras de microondas. En 1981 el Australian National Railways instala un sistema más grande. En Australia el empleo de fotovoltaicos para alimentar sistemas de telecomunicaciones remotos se ha convertido en la norma. El empleo de fotovoltaicos en las telecomunicaciones propició que en Australia se establecieran fuertes fabricantes de celdas solares como BP Solar, Solarex, Pty. Ltd. y AMOCO. Actualmente BP Solar absorbió a las otras compañías y domina una parte importante del mercado. Australia ha realizado grandes avances en la optimización de celdas solares basadas en silicio cristalino desde el inicio de su investigación en la University of South Wales (UNSW) en el año de 1975, logrando valores récord en la eficiencia de celdas de contacto enterrado de más de 24.7 % a través de múltiples mejoras de la eficiencia en una celda monocristalina. El desarrollo y la investigación de sistemas fotovoltaicos cuenta con un apoyo decidido del gobierno australiano y ha establecido la meta de generar 2 % de la demanda de electricidad mediante nuevas fuentes renovables de energía [12].
Estados Unidos de América. La producción de energía por medios fotovoltaicos es un tema estratégico para este país con gran apoyo gubernamental y sólido desarrollo comercial. En los últimos 25 años la industria de los EUA ha pasado de una empresa sobreprotegida dedicada a aplicaciones espaciales a una industria de electricidad solar con un valor de 1000 millones de dólares anuales. Los sistemas fotovoltaicos han mejorado al grado que de los antiguos sistemas que llegaban inservibles al lugar de aplicación, financiados con fondos federales, ahora son sistemas comerciales que se garantizan hasta por 25 años. El programa fotovoltaico de los EUA está orientado a la investigación y el desarrollo, y cubre toda la gama de materiales y dispositivos, incluyendo los componentes electrónicos necesarios y la confiabilidad de los sistemas. Puede considerarse que la mitad del presupuesto para investigación y desarrollo de sistemas fotovoltaicos proviene del presupuesto federal y la otra mitad de las universidades y la industria. La mayor parte del presupuesto es destinado a celdas de silicio cristalino de primera generación y a propiciar la introducción y las fases iniciales de producción de celdas de segunda generación basadas en películas delgadas. La otra parte del financiamiento se dedica al posicionamiento de los EUA como líder tecnológico, tomador de decisiones y dueño de las tecnologías futuras entre las que se encuentran las llamadas celdas fotovoltaicas de tercera generación basadas en semiconductores orgánicos y poliméricos, desarrollos basados en nanoestructuras, biomimetismo, producción fotoelectroquímica (principalmente para la economía del hidrógeno) y materiales bajo diseño. Dentro de los logros obtenidos recientemente en los EUA se encuentran los mayores valores en la eficiencia de las celdas de película delgada basadas en CuInGaSe, Cu(In, Al)Se2, CdTe y a-Si:H [13].
Italia. La investigación y desarrollo en fotovoltaicos se ha realizado con el auspicio de la compañía estatal del petróleo (Eni) y de la electricidad (Enel). El principal interés se da en la investigación y desarrollo de celdas basadas en silicio cristalino y película delgada de silicio. También existe un desarrollo importante en celdas para aplicaciones espaciales y en celdas de película delgada de compuestos semiconductores. Al igual que en Alemania, existe un programa nacional para cubrir los techos con sistemas fotovoltaicos [14].
Países Bajos. En el año 2001 el gobierno neerlandés cambio su estrategia de apoyo para la investigación y desarrollo de sistemas fotovoltaicos promoviendo una especie de competencia con la generación de electricidad por medios eólicos y biomasa. A pesar de lo anterior existe un gran esfuerzo de investigación en universidades, institutos de investigación y en compañías transnacionales. Las áreas de investigación incluyen tecnologías en las que se esperan resultados en los corto, mediano y largo plazos: celdas de silicio cristalino, celdas de silicio microcristalino y silicio amorfo, celdas sensibilizadas con tinta basadas en óxidos transparentes, celdas basadas en polímeros [15].
India. El empleo de sistemas fotovoltaicos autónomos es una alternativa que se ha privilegiado debido a las características económicas de este país. Al igual que en los otros países, el Estado se ha encargado de impulsar el desarrollo de la tecnología fotovoltaica. La investigación se inicia a mediados de los años setenta y en la actualidad el interés se centra en mejorar la eficiencia de celdas y módulos de silicio monocristalino, desarrollo de tecnologías de película delgada y de celdas de silicio amorfo de multiunión [16].
Japón. Dada la gran dependencia de fuentes externas de energía, el desarrollo de sistemas fotovoltaicos es de gran importancia para este país. Existe un fuerte desarrollo impulsado por grandes compañías y un decidido apoyo gubernamental. Las cifras notificadas en 2001 establecen que Japón vendía cerca de 44 % de los módulos fotovoltaicos y además contaba con cerca de 45 % de los módulos instalados en el mundo. Uno de los mayores esfuerzos realizados en Japón es alrededor del desarrollo de celdas de silicio amorfo de áreas grandes depositadas sobre vidrio y sustratos flexibles así como celdas de CdS/CdTe. Un factor importante del programa de investigación japonés es que tiene como objetivo la transferencia de los resultados de investigación y desarrollo en una forma acelerada para producción masiva a fin de abaratar costos. Existe una amplia gama de investigación para explorar nuevos sistemas: celdas de película delgada de silicio, celdas de silicio nanoestructurado, celdas solares sensibilizadas con tinta, microceldas de silicio esféricas y celdas de CuInS2 producidas por técnicas electroquímicas [17].
México. En el caso de nuestro país, no existe una política federal de impulso a la investigación y la generación de electricidad por medios fotovoltaicos aunque existen iniciativas impulsadas por instituciones públicas de investigación. En México existe un centro dedicado a la investigación de generación de energía renovable dependiente de la Universidad Nacional Autónoma de México y grupos de investigación hacen esfuerzos en varias universidades y centros de investigación, como el Cinvestav-IPN y el Instituto Politécnico Nacional.
FIGURA 6. Evolución histórica de la eficiencia de conversión en módulos fotovoltaicos [18].
Actualmente el desarrollo de sistemas fotovoltaicos puede agruparse en tres grandes líneas: 1) desarrollo e investigación de nuevos enfoques a fin de abaratar la tecnología para la producción de silicio y nuevos materiales fotovoltaicos; 2) desarrollos de ingeniería para optimizar los diversos componentes de los sistemas fotovoltaicos, y 3) nuevos desarrollos teóricos. El punto 2 está fuera del alcance de este trabajo.
A continuación discutiremos los puntos relacionados con nuevos materiales y la teoría. La figura 6 presenta los valores más altos de eficiencia de sistemas fotovoltaicos notificados en el laboratorio. Las eficiencias en los sistemas comerciales es de alrededor de la mitad de los valores más altos alcanzados hasta ahora (más o menos de 10 % en silicio).
Casi 90 % de la producción de módulos fotovoltaicos está basado en silicio cristalino de calidad inferior a la requerida por la industria electrónica. Sin embargo, en caso de que se tuviera una gran producción de sistemas fotovoltaicos, eventualmente el costo de los sistemas basados en silicio cristalino podría llegar a ser muy alto debido a que existiría una competencia con la industria electrónica. Actualmente existe un gran interés por desarrollar métodos de producción masiva de silicio de grado fotovoltaico para producir lingotes policristalinos de silicio en forma masiva a bajo costo. La producción de sustratos de silicio para aplicaciones fotovoltaicas implica un desperdicio de material que se trata de evitar mediante la producción de sustratos empleando técnicas novedosas como la fabricación de listones a partir de silicio fundido o vía la cristalización de polvos de silicio sobre sustratos reusables.
Una opción para los sistemas basados en silicio cristalino la constituye el empleo de películas delgadas de materiales con un coeficiente de absorción elevado. Dentro de estos sistemas el silicio amorfo tiene un papel destacado debido al bajo costo de producción y a la versatilidad de sustratos sobre los que se pueden depositar los sistemas fotovoltaicos. En la producción de celdas de película delgadas basadas en silicio es posible combinar las características del silicio cristalino y el silicio amorfo para producir celdas de doble o triple unión. En estos sistemas la celda base corresponde a silicio cristalino, mientras que las celdas superiores están basadas en silicio amorfo. La posibilidad de controlar la morfología de las películas de silicio de amorfo nanocristalino/cristalino permitirían una optimización de los parámetros eléctricos del sistema para optimizar las características de la celda base. Entre los sistemas de brecha prohibida directa de los que se han informado mayores avances se encuentran los sistemas CdTe y CuInSe2; para el primero se han detectado eficiencias máximas de 16.5 % para celdas experimentales, mientras que para celdas comerciales la eficiencia se encuentra entre 7 y 9 %. Para el sistema CuInSe2 se han logrado eficiencias experimentales de hasta 19.5 % cuando se agrega Ga, mientras que los sistemas comerciales alcanzan eficiencias mayores que 13 por ciento.
Con el objeto de aprovechar en un rango más amplio el espectro energético de la radiación solar, se está investigando activamente la producción de celdas multiunión basadas en materiales policristalinos II-VI.
La mayor eficiencia alcanzada en sistemas fotovoltaicos corresponde a celdas multiunión de materiales III-V que emplean sistemas concentradores de la radiación solar. Los sistemas concentradores son arreglos de componentes ópticos que permiten concentrar la energía en áreas reducidas incrementando con ellos la radiación incidente sobre un sistema determinado. En estos sistemas se han alcanzado eficiencias mayores de 40 %. A pesar de que los sistemas que emplean concentradores tienen un rango de aplicación restringido, pues necesitan una incidencia directa de la radiación solar, son sistemas en los que hay un gran interés, pues se emplean en conjuntos espaciales estratégicos. Al igual que en muchas de las aplicaciones de los materiales III-V, actualmente se investigan los efectos de introducir nitrógeno en los compuestos ternarios empleados en las estructuras InGaP/InGaAs/Ge. Todos los sistemas discutidos anteriormente corresponden a sistemas inorgánicos en los cuales se genera un par hueco-electrón por cada fotón absorbido; los portadores están separados. Recientemente se han desarrollado sistemas fotovoltaicos que emplean uniones p-n de compuestos orgánicos. En éstos los portadores generados, cuando se absorbe la luz, se ligan en un excitón, por lo que estos sistemas fotovoltaicos han sido denominados excitónicos. Dentro de estos sistemas se encuentran las celdas solares sensibilizadas por tinta, las celdas solares basadas en polímeros y las celdas solares basadas en puntos cuánticos. Entre las características más atractivas de estos sistemas está la posibilidad de fabricar celdas solares flexibles con un amplio potencial de aplicaciones [19].
La energía atómica se obtiene de la transformación de masa en energía. Ésta se da a través de dos vías: 1) la fisión, que es la desintegración de núcleos pesados para formar núcleos ligeros, y 2) la fusión, que es la unión de dos núcleos ligeros para crear un núcleo pesado. En el primer caso, cuando un núcleo pesado interacciona con un neutrón, se crean dos núcleos ligeros y dos o más neutrones. La suma de las masas de los núcleos ligeros producidos será 0.99 de la masa del núcleo original. La diferencia (1 %) es transformada en energía. Una vez iniciado, el proceso de fisión puede continuar debido a la interacción de los neutrones producidos con otros núcleos pesados. La interacción de los neutrones puede tener varios escenarios dependiendo de la masa total de los núcleos pesados. Si la masa es muy pequeña los neutrones producidos prácticamente no interaccionarán con otros núcleos. Si la masa es muy grande se producirá una reacción en cadena que liberará una gran cantidad de energía; este es el principio de funcionamiento de la bomba atómica. En el caso de que se tenga la masa crítica, sólo un neutrón interaccionará y se tendrá un flujo estacionario de neutrones. Se puede emplear la fisión nuclear para producir energía en dos formas: un reactor nuclear o una bomba nuclear.
La fusión nuclear sólo se ha producido en la bomba termonuclear, en la cual dos núcleos ligeros se fusionan para producir un núcleo pesado. En este caso el núcleo pesado producido tendrá una masa menor que la suma de los dos núcleos ligeros, siendo la diferencia de 5 %. Entonces la fusión nuclear es cinco veces más eficiente que la fisión nuclear para producir energía.
El primer reactor nuclear de fisión se fabricó en Chicago en 1942. La primera bomba atómica se ensayó en los Estados Unidos en 1945. La primera estación de generación de energía atómica nuclear produjo 50 kW y se instaló en la Unión Soviética en 1956; después de este periodo más de 400 estaciones atómicas de generación de electricidad fueron construidas en el mundo con una producción global de potencia de 300 000 MW. Para el funcionamiento de estas plantas se necesitan 500 000 toneladas de combustible nuclear por año. Para la producción de esta cantidad de combustible se necesitan entre cuatro y cinco millones de toneladas de uranio. Esta cantidad es prácticamente igual al total actual de las reservas estimadas. Los reactores nucleares basados en agua ligera y neutrones lentos emplean únicamente uranio 235. El contenido de este isótopo en el uranio natural es sólo de 0.7 %; el resto es uranio 238, que no es útil en los reactores de agua ligera. La vida útil de una estación de generación de energía nuclear con un capacidad de generación de un millón de kW es de alrededor de 25 o 30 años; durante este periodo se necesitan 5 000 toneladas de uranio natural. Este tipo de estaciones nucleares no representa una buena alternativa para el futuro debido a la limitación en la disponibilidad de combustible.
La nueva generación de reactores trabaja con neutrones rápidos (reactores de cría). Durante la operación de estos reactores, como resultado de los procesos de interacción de uranio 235 con los neutrones rápidos, se produce plutonio que a su vez puede emplearse como combustible. Durante un periodo de seis a 10 años la cantidad de combustible producido es el doble de la inicial. La eficiencia de estos reactores es 60 veces mayor que los de agua ligera. El combustible de estos reactores únicamente necesita una mezcla de uranio 238 y plutonio. Durante la fisión de uranio, debido a la interacción con neutrones rápidos, por cada tres núcleos de uranio 238 se crea un núcleo de plutonio. Entonces se podría esperar que todo el uranio 238 se transforme en plutonio conduciendo a una disponibilidad sin límite de combustible. Ambos tipos de reactores producen plutonio y uranio 233, que no existe en forma natural; ambos materiales son útiles en los reactores que emplean neutrones rápidos.
Sin embargo ambos isótopos son los más tóxicos que existen en la naturaleza. A pesar de que hay consenso en cuanto a la toxicidad del plutonio, existen discrepancias respecto a su letalidad. Se estima que dos gramos de plutonio 239 pueden matar a un millón de personas; una millonésima de gramo puede causar cáncer y el plutonio contenido en una bola de béisbol sería suficiente para construir una bomba atómica [20, 21]. Un reactor de un millón de kW basado en agua ligera funcionando durante todo un año produce 170 kg de plutonio. A pesar del gran riesgo involucrado en la generación de energía mediante el proceso de fisión nuclear, ésta constituye la forma más económica de producción de electricidad. El porcentaje de generación mundial de energía, mediante estaciones nucleares, es de alrededor de 6 por ciento.
La opinión generalizada es que la energía nuclear es muy peligrosa porque afecta directamente a la salud de los seres vivos y produce gran cantidad de materiales radiactivos peligrosos. Uno de los principales problemas es que 99 % del combustible no se utiliza, por lo que su manejo o aislamiento representa un gran problema [20]. Un reactor nuclear típico con una potencia de generación de 1 200 MW produce 30 toneladas de desechos altamente radiactivos. En Alemania, durante un año, 21 estaciones nucleares han producido 300 toneladas de desechos radiactivos. En los Estados Unidos hasta el año de 1986 se habían acumulado 12 000 toneladas de desechos radiactivos que estaban confinados en lugares especiales. En los últimos 15 años en el mundo se han agregado otras 40 000 toneladas de desechos radiactivos. Durante los últimos 20 años los especialistas estimaban que era necesario esperar entre 50 y 100 años después de la vida útil de una planta nuclear para que la radiación decayera a niveles tolerables para los seres vivos. Sin embargo, recientemente una inspección de las construcciones que albergaban estaciones nucleares que han dejado de funcionar encontró la presencia de los isótopos níquel 59 y niobio 94, que tienen una vida media de 80 000 y 200 000 años respectivamente. Desde los orígenes de la aplicación de la energía nuclear se han presentado algunos sucesos catastróficos, y el de la ciudad de Chernobyl, en Ucrania, se considera el más grave. Recientemente las aplicaciones bélicas del plutonio han generado gran preocupación debido al posible mal uso en la fabricación de armas nucleares o ataques terroristas. Otra de las características indeseables de las plantas generadoras de energía nuclear es la contaminación térmica que producen. La contaminación térmica asociada a una planta nuclear es mucho mayor para los climas locales que una planta generadora basada en gas o carbón. Otro problema es la necesidad de regeneración de los desechos radiactivos. Para regenerar 350 toneladas de desechos radiactivos es necesario utilizar una cantidad tan grande de productos químicos que sería necesario transportarlos en 170 vagones, y los desechos asociados a este proceso, con una actividad radiactiva residual considerable, ocuparían alrededor de 2 500 vagones. Aun ahora no existe un proceso completamente seguro para contener estos desechos hasta que decaiga la radiactividad a niveles tolerables, y las estrategias empleadas implican un enorme costo económico [21]. Está claro que los grandes problemas asociados a la generación de energía nuclear la eliminan como una fuente viable de energía alternativa.
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