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El misterio de los defectos de las células solares se resuelve después de décadas de esfuerzo global

granja solar de silicio

Un equipo de científicos de la Universidad de Manchester resolvió una falla clave en los paneles solares después de los años de investigación de 40 en todo el mundo.

Los paneles solares se encuentran entre los sistemas más disponibles para generar energía a través de fuentes renovables debido a su costo relativo y la disponibilidad del consumidor. Sin embargo, la mayoría de las células solares solo alcanzan un 20 de eficiencia, por cada kW de luz solar equivalente, se puede generar aproximadamente 200W de energía eléctrica.

Ahora, un equipo internacional de investigadores ha resuelto un problema fundamental clave de defectos materiales que limita y degrada la eficiencia de las células solares. El problema se ha conocido y estudiado durante más de 40 años, con más de los trabajos de investigación de 270 atribuidos al problema sin solución.

La nueva investigación muestra la primera observación de un defecto material previamente desconocido que limita la eficiencia de las células solares de silicio.

El profesor Tony Peaker, quien coordinó la investigación ahora publicada en el Journal of Applied Physics, dijo: “Debido al impacto ambiental y financiero, la 'degradación de la eficiencia' del panel solar ha sido un tema de gran interés científico y de ingeniería en las últimas cuatro décadas. Sin embargo, a pesar de algunas de las mejores mentes en el negocio que está trabajando en ello, el problema ha resistido firmemente la resolución hasta ahora ".

“Durante las primeras horas de funcionamiento, después de la instalación, la eficiencia de un panel solar se reduce de 20% a aproximadamente 18%. Una caída absoluta de 2% en eficiencia puede no parecer una gran cosa, pero si considera que estos paneles solares ahora son responsables de proporcionar una fracción grande y en crecimiento exponencial de las necesidades energéticas totales del mundo, es una pérdida significativa de la capacidad de generación de electricidad. . ”

El costo energético de este déficit en las medidas de capacidad solar instalada en el mundo en los 10 de gigavatios, es equivalente a más energía que la producida por el total combinado de las centrales nucleares del Reino Unido de 15. Por lo tanto, el déficit solar debe ser cubierto por otras fuentes de energía menos sostenibles, como la quema de combustibles fósiles.

El enfoque teórico y experimental multidisciplinario empleado por los investigadores identificó el mecanismo responsable de la degradación inducida por la luz (LID). Combinando una técnica eléctrica y óptica especializada, conocida como "espectroscopia transitoria de nivel profundo" (DLTS), el equipo descubrió la existencia de un defecto material que inicialmente permanece inactivo dentro del uso de silicio para fabricar las células.

La carga electrónica dentro de la mayor parte de la célula solar de silicio se transforma bajo la luz solar, parte de su proceso de generación de energía. El equipo descubrió que esta transformación implica una "trampa" altamente efectiva que impide el flujo de portadores de carga (electrones) foto generados.

El Dr. Iain Crowe dijo: “Este flujo de electrones es lo que determina el tamaño de la corriente eléctrica que una célula solar puede suministrar a un circuito, cualquier cosa que lo impida reduce efectivamente la eficiencia de la célula solar y la cantidad de energía eléctrica que se puede generar para un nivel dado de luz solar. Hemos comprobado que el defecto existe, ahora es una solución de ingeniería que se necesita ".

La técnica estándar de la industria utilizada para determinar la calidad del material de silicio mide la "vida útil" de los portadores de carga, que es más largo en material de alta calidad con menos "trampas". Los investigadores en Manchester liderados por el profesor Matthew Halsall encontraron que sus observaciones estaban fuertemente correlacionadas con el tiempo de vida del portador de carga, que se redujo significativamente después de la transformación del defecto bajo iluminación. También notaron que el efecto era reversible, la vida útil aumentó nuevamente cuando el material se calentaba en la oscuridad, un proceso comúnmente utilizado para eliminar las "trampas".

El debate sobre la crisis climática se ha intensificado en la memoria reciente y el impulso hacia las energías renovables se ha visto como un cambio de política clave. Mientras que el Reino Unido recientemente rompió su récord anterior por pasar una semana sin usar energía producida con carbón, el mismo mes vio que el CO2 atmosférico ha superado el nivel más alto en la historia de la humanidad.

La energía es una de las balizas de investigación de la Universidad de Manchester: ejemplos de descubrimientos pioneros, colaboración interdisciplinaria y asociaciones intersectoriales que abordan algunas de las preguntas más importantes que enfrenta el planeta.

Informador de la industria de procesos

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