México es uno de los países con mayor potencial de aprovechamiento de la energía solar en todo el orbe. A pesar de ello, en 2009 sólo el 0.1 por ciento del suministro de energía a nivel nacional provenía del Sol, de acuerdo con la Agencia Internacional de Energía Renovable (IRENA por sus siglas en inglés).
Incrementar el aprovechamiento de ésta y de otras fuentes renovables es una prioridad nacional. De acuerdo con la Secretaría de Energía, la Ley para el Aprovechamiento de las Energías Renovables y el Financiamiento de la Transición Energética busca que para el año 2024 la participación de las fuentes no fósiles en la generación de electricidad sea del 35 por ciento. La relevancia de las energías renovables para el país es tal que en el Segundo Informe de Gobierno del presidente Enrique Peña Nieto se anuncia que el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) y dicha Secretaría destinarán 1,628 millones de pesos a un fondo sectorial para la creación de tres centros de innovación de energías renovables en los próximos años.
Conscientes de lo anterior, investigadores del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE) se han abocado a desarrollar celdas solares basadas en la tecnología del silicio cristalino. El proyecto arrancó en 2011 aprovechando la capacidad instalada de este Centro CONACYT con sede en Tonantzintla, Puebla.
El equipo está integrado por los investigadores Mario Moreno Moreno, Pedro Rosales Quintero, Alfonso Torres Jácome, Claudia Reyes Betanzo, Carlos Zuñiga, Andrey Kosarev y Olexandr Malik. Los últimos tres trabajan principalmente en celdas solares de silicio amorfo y óxidos conductivos transparentes. Al equipo también pertenecen los estudiantes de doctorado Dulce Murias y José de Jesús Martínez, y se cuenta con la colaboración del Dr. Roberto Ambrosio, de la Universidad Autónoma de Ciudad Juárez, y del Dr. Pere Roca i Cabarrocas, de LPICM, École Polytechnique, Palaiseau, Francia.
La energía solar no sólo es la más abundante, sino que es gratis, renovable y limpia, es decir, no emite emisiones o gases contaminantes, comenta en entrevista el Dr. Mario Moreno Moreno, líder del proyecto “Estudio, Investigación y desarrollo de celdas solares de hetero-unión silicio cristalino/silicio amorfo (c-Si/a-si:H) procesadas a bajas temperaturas".
"En 2011 hicimos pruebas para ver qué tecnología se ajustaba mejor a nuestras instalaciones y vimos que era el silicio cristalino. Nos dimos cuenta de que nos íbamos a basar primero en la tecnología estándar, en donde se realiza difusión de átomos dopantes o difusión atómica en sustratos de silicio cristalino, con la cual trabajamos gracias a la incorporación de dos estudiantes de doctorado. También seguimos trabajando en celdas solares de heterounión c-Si/a-Si:H, pero éstas necesitan una mayor investigación y desarrollo", agrega.
Laboratorio del INAOE
El INAOE cuenta con un Laboratorio de Microelectrónica y con el Laboratorio de Innovación en MEMS (LI-MEMS), en donde se emplea el silicio para fabricar fundamentalmente chips o circuitos integrados. Sin embargo, el equipo de investigación consideró que con dicha infraestructura tecnológica se podían abrir nuevas líneas de investigación. En este sentido, el Dr. Moreno abunda: “Hacemos esto porque deseamos desarrollar tecnología propia en México para generar energías renovables”.
El investigador aclara que las celdas solares basada en el silicio no son nuevas: “La primera celda solar funcional se desarrolló en 1954 en los laboratorios Bell en Estados Unidos, con eficiencias bajas, de alrededor del cinco por ciento. En México el desarrollo comenzó en los años setenta y ochenta. Sin embargo, se consideró que no era tan importante y no se continuó. Actualmente en México hay instituciones que desarrollan celdas solares pero con los elementos de la tabla periódica de las familias III, V y VI, como telurio, cadmio y azufre. Nosotros trabajamos en otra dirección, con la tecnología del silicio, porque es una tecnología madura y está muy desarrollada en cualquier parte del mundo. Cuáles son las ventajas del silicio: es el segundo elemento más abundante en la Tierra después del oxígeno, no es tóxico y no es contaminante. Esto significa que además de que no contamina, es prácticamente inagotable y no dañará la salud de las personas ni el medio ambiente. Las otras tecnologías mencionadas trabajan con materiales que sí contaminan una vez que se desechan, debido a que el cadmio es cancerígeno”.
Silicio a un menor costo
En contraste, la desventaja del silicio cristalino es que es costoso, ya que es fabricado exclusivamente por empresas que lo someten a un proceso complejo de purificación y de crecimiento de cristales con una orientación atómica prácticamente perfecta. El Dr. Moreno explica: “Actualmente se están desarrollando procesos para obtener silicio a un costo menor, sacrificando un poco la pureza o la perfección del cristal, pero con reducción en costos, como es el caso del silicio multicristalino. Por otra parte, los espesores de los sustratos de silicio son de 300 micrómetros, sin embargo ya hay desarrollos en diversas partes del mundo para introducir obleas de 25 micrómetros de espesor, lo que significa que con la misma cantidad de silicio con la que en la actualidad se fabrica una celda, en el futuro se podrán fabricar hasta diez, reduciendo significativamente los costos. Nuestro grupo de investigación considera que el silicio seguirá siendo una tecnología dominante. Del 100 por ciento de las celdas solares que se fabrican en la actualidad, más del 90 por ciento está basado en silicio, no sólo en silicio cristalino, sino en silicio policristalino, multicristalino, amorfo. Es decir, en conjunto, la tecnología del silicio es importante y la tendencia seguirá así en el corto y mediano plazos. El material no se va a acabar”.
El proyecto de celdas solares en el INAOE aún está en proceso. Durante el último año y medio el equipo de investigación ha trabajado con la tecnología por vía de difusión de dopantes, pero las celdas aún no están optimizadas. A futuro, desean incorporar lo que se conoce como pasivación superficial, que consiste en depositar en la celda solar una película, puede ser óxido de silicio o nitruro de silicio, que disminuye la reflexión de la luz que llega del Sol y que también sirve para disminuir los defectos en la superficie del silicio: “Estos defectos son enlaces incompletos y centros de recombinación de electrones. Cuando llega un fotón de luz, genera lo que se conoce como un par electrón-hueco, que es un electrón que recibe suficiente energía para desprenderse de un átomo, y este electrón puede contribuir a una corriente eléctrica, pero si en la superficie del silicio cristalino hay defectos, estos electrones se vuelven a recombinar y ya no contribuyen a una corriente generada por la luz. Es muy importante eliminar estos defectos en la superficie para que no haya centros de recombinación”, explica.
Texturizado
Otro proceso en el cual se trabaja es el texturizado, que consiste en someter los sustratos de silicio cristalino a soluciones como el hidróxido de potasio, que graban la superficie del material con una cierta orientación: “Grabar significa eliminar selectivamente material. El hidróxido de potasio elimina silicio pero con cierta orientación. En el silicio cristalino hay planos cristalográficos con una gran densidad de átomos y otros con menor densidad. Estos últimos son más fáciles de remover. El hidróxido de potasio elimina planos cristalográficos poco densos y solamente quedan los planos densos que tienen un ángulo de 54.7 grados y forman pirámides en la superficie del silicio. Cuando llega un fotón, cuando llega la luz, estas pirámides generan múltiples reflexiones y mejoran la absorción de luz. Hemos trabajado bastante en esto y hemos desarrollado y optimizado procesos húmedos de texturizado que reducen significativamente la reflexión”.
Paralelamente se está trabajando con texturizado por medio de plasmas con base de hexafluoruro de azufre y oxÍgeno para evitar el uso de grandes cantidades de agua de alta pureza y químicos para el proceso de texturizado. Los resultados obtenidos son muy promisorios porque este proceso reduce aún más la reflexión de la luz en comparación con los procesos húmedos.
Aumentar las eficiencias
Actualmente las celdas solares fabricadas en el INAOE tienen eficiencias cercanas al nueve por ciento. Los objetivos a futuro, subraya el entrevistado, son producir celdas con eficiencias mayores al 10 por ciento hacia finales de 2014 y mayores al 13 por ciento a finales del 2015, además de producir celdas solares de heterounión (unión de silicio cristalino y silicio amorfo) con eficiencias de entre el 8 y el 10 por ciento a finales de 2015.
“Estamos fabricando las celdas solares completas pero en dimensiones reducidas, de uno y cuatro centímetros cuadrados. Una vez que tengamos todo el proceso, aumentaremos el tamaño de la celda hasta 100centímetros cuadrados usando las instalaciones del LI-MEMS. Con base en lo anterior ya se pueden fabricar módulos, es decir, unir varias celdas en serie y en paralelo. La idea es que a futuro se fabriquen las celdas y los módulos en el Instituto”, añade.
Para concluir, el Dr. Moreno comenta que detrás de este proyecto hay un deseo de cooperar en pro del medio ambiente y del país: “México es productor de petróleo, pero el petróleo se va a acabar, además de que el país está entre los primeros países del mundo en generación de gases invernadero. En 2009 México firmó el protocolo de Kyoto y se comprometió a reducir estas emisiones en 20 por ciento para 2020 y en 50 por ciento para 2050. Este proyecto también es posible gracias a que en 2012 se recibieron recursos de proyecto CONACYT para comprar un equipo de caracterización y un simulador solar. Finalmente, nuestro objetivo es que INAOE sea líder en México en el desarrollo de celdas solares basadas en silicio”.
