La US Air Force explora la automatización de tecnologías aditivas de células solares

Inspirados en la impresión de los periódicos y usando los avances en la tecnología de fabricación aditiva, los investigadores del AFRL (Laboratorio de la Fuerza Aérea de EEUU) están explorando nuevas formas de fabricación de células solares más eficientes en términos de costes.

“Las células solares pueden generar electricidad de manera respetuosa con el medio ambiente, pero los costos de fabricación actuales y su complejidad hacen que la tecnología resulte cara. Estamos buscando nuevas formas de utilizar los materiales y tecnologías de fabricación que lo abaraten”, dice el Dr. Santanu Bag, a director de proyecto de la Materials and Manufacturing Directorate, AFRL

Aunque la investigación en células solares comenzó en los años 50, la tecnología para hacerlos es compleja y laboriosa. En el nivel básico, la fabricación se basa en el silicio monocristalino extremadamente puro.

El silicio puro se extrae de un material tal como cuarzo o arena y se transforma en láminas finas. Las obleas de silicio se tratan químicamente para formar un campo eléctrico, con polaridades positiva y negativa. Estos semiconductores de silicio, o células solares, se encapsulan en un soporte para formar un módulo fotovoltaico, donde son capaces de recoger y transformar la luz solar en una corriente eléctrica.

Este proceso de múltiples etapas requiere mucho tiempo y utiliza equipos altamente sofisticados, lo que requiere a la vez, la intervención de un número de técnicos e ingenieros para llegar al producto final. El control de calidad es clave, ya que una discrepancia durante cualquier etapa del proceso de fabricación podría tener un efecto sobre el rendimiento de las células.

Este alto costo de fabricación ha sido un impedimento para el uso generalizado de la energía solar, a pesar de su potencial de ahorro de costos en la explotación. “Si se desea hacer que la energía solar sea competitiva, es necesario hacer que las células solares sean más eficientes en términos económicos”, dijo Bag.

Inspirado en el concepto de la fabricación de los periódicos, en el que el papel prensa se imprime el papel con tinta, Bag y su equipo buscaron alternativas al silicio inorgánico y duro, en busca de un material capaz de transformar la energía solar en energía, que pudiera fabricarse mediante un proceso de impresión.

“Las células de silicio utilizan materiales puramente inorgánicos, que por naturaleza son muy duros”, dijo Bag. “Necesitábamos un material que fuera fácil de imprimir y al mismo tiempo capaz de captar la luz del sol. Determinamos que un material híbrido inorgánico-orgánico sería fácil de imprimir y todavía podría cosechar energía solar “.

Se eligieron películas delgadas de perovsquitas, que tienen una excelente capacidad de absorción de luz y eficiencia en la conversión de energía, que ha mejorado enormemente en comparación con los más de 30 años que tomó a las células solares de silicio llegar a los niveles actuales. Sólo recientemente se ha explorado este material por su capacidad de energía solar, uno de ellos Bag.

“El material ha existido desde la década de 1990, cuando se utilizó para hacer pruebas a los diodos emisores de luz. Los investigadores sabían que tenía capacidad de absorción solar, pero esto no era ese el foco de la investigación del momento “, dijo Bag.

En el estudio de Bag, el material precursor de perovskita se atomizó usando ondas ultrasónicas para formar gotitas de aerosol extremadamente finas capaces de ser transferidas a la boquilla de impresión de una impresora de chorro.

Utilizando herramientas de diseño asistidas por ordenador, se recubrió una superficie con el material utilizando directamente la impresora de escritura, formando una célula solar con una eficacia del 15,4 por ciento sobre una superficie plana.

Bag y su equipo también demostraron la capacidad de imprimir estas células solares en una superficie tridimensional con una eficiencia de 5.4 por ciento, siendo ésta la primera vez que esto se ha hecho en el campo de la fotovoltaica impresa.

“No hemos optimizado las condiciones para la impresión en 3-D de estos paneles todavía, pero sí sabemos que se puede hacer. Una vez que se sepa cómo imprimirlo, esta tecnología tendrá un enorme potencial para otras aplicaciones “, dijo Bag.

Para la Defensa, las aplicaciones para este material y el nuevo proceso de impresión son enormes. El método se puede utilizar para imprimir células solares flexibles en la ropa, para crear robótica auto-alimentada y dispositivos de emisión de luz e incluso para hacer sensores flexibles autoalimentados, por nombrar algunos.

Bag, junto con otros investigadores, el Dr. Michael Durstock, Jefe de la Soft Matter Materials Branch frl AFRL, y James Deneault, ingeniero de investigación, han presentado una solicitud de patente para esta tecnología. Aunque esta investigación está todavía en sus primeras etapas, el impacto de los nuevos procesos de fabricación puede tener un gran potencial de futuro.

Fte.: AFRL