CIUDAD SOLAR
La energía fotovoltaica transparente (TPV) posee un enorme potencial sin explotar en la captación de energía solar, donde puede integrarse fácilmente en aplicaciones de edificios en todo el mundo para reducir significativamente las emisiones de CO2 y apoyar el necesario desarrollo de edificios de consumo de energía casi nulo. La TPV aumentará la utilización de energía renovable directamente allí donde se necesita y desempeñará un papel crucial para la transformación sostenible del sector energético en las grandes ciudades.
Sin embargo, utilizando la energía fotovoltaica convencional, no es posible fabricar elementos TPV sin graves pérdidas de eficiencia y/o transmisión de luz visual. En el proyecto CITYSOLAR, se desarrollará un nuevo concepto innovador para TPV aprovechando el uso combinado de tecnologías emergentes, a saber, módulos solares de unión múltiple desarrollados a partir de perovskita de luz ultravioleta cercana y células solares orgánicas de infrarrojo cercano. Utilizando conceptos avanzados en el ámbito de la gestión de la luz, como los cristales fotónicos, la nanofotónica y el reciclado de fotones, y esquemas avanzados de integración de módulos, CITYSOLAR cambiará radicalmente los límites de rendimiento de las células solares fotovoltaicas (TPV) reduciendo significativamente las pérdidas relacionadas con la absorción de la luz y ampliando la escala de las células solares individuales a los módulos multiunión.
CITYSOLAR reúne a los principales actores académicos e industriales europeos del mundo, algunos de ellos con propiedad intelectual clave, junto con dos socios no pertenecientes a la UE que pertenecen a países de Mission Innovation especializados en la síntesis de materiales avanzados para células solares híbridas y orgánicas.
El consorcio desarrollará células y módulos solares altamente eficientes y transparentes para aumentar el rendimiento de las tecnologías TPV disponibles en un 50% y, a través de esquemas de integración innovadores, presentará una ruta para su uso en aplicaciones fotovoltaicas integradas en edificios (BIPV). Esto representa un sector estratégico para Europa y una oportunidad para acelerar y reducir el coste de la próxima generación de tecnologías de energía renovable sostenible
¿Por qué fotovoltaica transparente?
La demanda de energía limpia proveniente de fuentes renovables, y en particular de energía fotovoltaica (FV), está creciendo rápidamente (por encima de 50 TW para 2050) impulsada por las acciones urgentes para contrarrestar el cambio climático. El uso generalizado de energía renovable, desde la escala de servicios públicos hasta la recolección de energía local, es un requisito previo para un cambio de paradigma global en las fuentes de energía sostenibles. Una de las mejores estrategias para facilitar este cambio de paradigma es integrar la energía fotovoltaica en los objetos y en particular en los edificios, incorporando las fuentes de energía en la piel del edificio sin afectar los requisitos arquitectónicos. Por esta razón, la energía fotovoltaica transparente (TPV) juega un papel fundamental en la plena aceptación de la energía fotovoltaica integrada en edificios (BIPV) y, en general, en la arquitectura moderna. La transparencia afecta la recolección de luz y, por esta razón, la tecnología fotovoltaica convencional no puede permitirse tal requisito. Sin embargo, los recientes avances en energía fotovoltaica de tercera generación, concretamente las células solares de perovskita (PSC) de banda ancha y las células fotovoltaicas orgánicas (OPV) sin fulerenos de banda ancha, abren el camino para aprovechar porciones del espectro solar que reducen el impacto en la visibilidad de las ventanas. Un desarrollo tan avanzado de la energía fotovoltaica requiere una investigación específica que aborde la eficiencia, la transparencia y el ajuste del color en igualdad de condiciones.
CITYSOLAR desarrolla células solares integradas para ventanas
¿Cómo lo hacemos?
El esquema de fabricación de CITYSOLAR consiste en combinar una capa de perovskita de luz ultravioleta cercano en la celda superior y una capa orgánica de infrarrojo cercano en la celda inferior, obteniendo así células solares de heterounión con alta transparencia.
La tecnología multiunión CITYSOLAR se basa en una perovskita de haluro de luz ultravioleta cercana (NUV) superior y una célula fotovoltaica polimérica de luz infrarroja cercana (NIR) inferior, que aprovecha conceptos avanzados de gestión de la luz, como cristales fotónicos, nanofotónica y reciclaje de fotones. Los módulos fotovoltaicos se fabricarán de forma independiente sobre sustratos rígidos o flexibles y luego se laminarán juntos con capas intermedias adecuadas para fabricar una estructura multiunión de 2 terminales. Este enfoque, que extiende la técnica de unión de obleas utilizada para células multiunión de alta eficiencia en aplicaciones espaciales, permite fabricar células/módulos superiores (inferiores) sin las limitaciones de fabricación impuestas por la célula/módulo inferior (superior), simplificando enormemente la fabricación del dispositivo. En este contexto, el proceso de laminación representa un paso crucial, que debe garantizar la transparencia óptica, la resistencia mecánica y la conexión eléctrica. El innovador concepto de fotovoltaica transparente (TPV) se demostrará también a nivel de módulo en un área mayor de 100 cm2. La configuración 2T se realizará empleando un esquema innovador llamado MOLBAC, que resuelve los problemas relacionados con el equilibrio entre el módulo de absorción NUV superior y el módulo de absorción NIR inferior. El módulo transparente de gran superficie se integrará en un elemento BIPV y se demostrará su funcionalidad.
El consorcio
CITYSOLAR reúne a los principales actores académicos e industriales europeos, algunos de ellos con propiedad intelectual clave, junto con dos socios no pertenecientes a la UE que pertenecen a países de Mission Innovation especializados en la síntesis de materiales avanzados para células solares híbridas y orgánicas, para desarrollar células solares y módulos altamente eficientes y transparentes para BIPV. El avance de CITYSOLAR se basa en una combinación única de conceptos innovadores que llevarán la eficiencia y la transparencia de la célula solar integrada mucho más allá del estado del arte y permitirán una explotación real de las ventanas fotovoltaicas. CITYSOLAR combina una fuerte innovación en materiales, un nuevo concepto de célula solar multiunión hecha de absorbedores selectivos con la propiedad de reducir el impacto en el rango visible, técnicas avanzadas de gestión de la luz para mejorar la eficiencia sin afectar la transparencia, y una integración innovadora entre las células y entre la célula y los vidrios de las ventanas BIPV. Todo este desarrollo estará respaldado por actividades de modelado y caracterización multiescala de última generación, y su sostenibilidad desde el punto de vista industrial y del ciclo de vida será evaluada por las PYME y las grandes empresas socias del proyecto.
CITYSOLAR desarrolla células solares integradas para ventanas
Con el objetivo de desarrollar células fotovoltaicas transparentes altamente eficientes para aplicaciones fotovoltaicas integradas en edificios (BIPV, por sus siglas en inglés), los expertos del proyecto CITYSOLAR han desarrollado una estrategia para la producción de células fotovoltaicas en tándem, capaces de absorber diferentes longitudes de onda de luz solar, mediante la combinación de células fotovoltaicas de perovskita con células fotovoltaicas orgánicas, permitiendo alcanzar una eficiencia de conversión superior al 15%.
Aunque ya es posible fabricar células fotovoltaicas transparentes para ventanas, su eficiencia de conversión hasta ahora era baja en comparación con la tecnología fotovoltaica convencional. El proyecto CITYSOLAR se propuso cambiar esta situación combinando dos tecnologías fotovoltaicas en una configuración en tándem, en un trabajo conjunto que ha tenido una duración de tres años y medio.
El proyecto finalizó en abril de 2024, y ha tenido un coste de 4.765.768,75 euros, con una subvención de 3.779.242 euros procedente del programa europeo Horizon 2020.
Ha sido coordinado por el Consejo Nacional de Investigación (CNR) de Italia, con la colaboración de otras nueve entidades procedentes de Suiza, Alemania, Dinamarca, Francia, Canadá, Arabia Saudí e Italia. De esta manera, CITYSOLAR ha reunido a actores académicos e industriales europeos, junto con dos socios de fuera de la UE que pertenecen a la iniciativa Mission Innovation, especializados en la síntesis de materiales avanzados para células solares híbridas y orgánicas.
Su objetivo final era el desarrollo de células y módulos fotovoltaicos altamente eficientes y transparentes para aumentar en un 50% el rendimiento de las tecnologías TPV disponibles para su uso en aplicaciones fotovoltaicas integradas en edificios (BIPV).
Las células solares en tándem monolíticas convencionales de base orgánica y perovskita se fabrican secuencialmente a pequeña escala (< 1,0 cm2) sobre un único sustrato, lo que impone una serie de restricciones que dificultan su desarrollo para aplicaciones en el mundo real. En este proyecto, los investigadores han desarrollado una estrategia para superar estas limitaciones, y que tiene el potencial de facilitar la fabricación de dispositivos tándem de película delgada a escala industrial.
Para ello, se conectaron en serie células solares de perovskita y orgánicas haciendo coincidir su corriente de cortocircuito mediante el ajuste fino del ancho de la subcelda de la célula orgánica, lo que condujo a una eficiencia de conversión en tándem de hasta el 14,94% para un área de apertura de 20,25 cm2. Esta eficiencia fue mayor que la de las células solares individuales de perovskita (6,69%) y orgánicas (12,46%).
Búsqueda de materiales para maximizar la eficiencia de conversión
En primer lugar, los investigadores realizaron una evaluación y síntesis de pares complementarios de materiales donantes y aceptores de electrones para su uso como componentes de mezcla fotoactiva en dispositivos fotovoltaicos transparentes, seleccionando así los materiales más prometedores en células solares orgánicas de infrarrojo cercano. Con respecto a la capa de transporte para la célula solar de perovskita de ultravioleta cercano, se han examinado varias familias moleculares para identificar la más prometedora en términos de propiedades optoelectrónicas y versatilidad sintética.
A continuación, varios socios del consorcio crearon una plataforma de caracterización completa e integral, destinada a investigar las propiedades fundamentales y el principio de funcionamiento de los materiales y células fotovoltaicas. Los hallazgos experimentales también fueron respaldados por simulaciones ópticas con el fin de encontrar pautas de diseño para alcanzar una alta eficiencia.
Después, los expertos trabajaron en el desarrollo y optimización de los procesos de fabricación, y descubrieron niveles de eficiencia de conversión de hasta el 6% y de transmitancia visible promedio del 38% utilizando la arquitectura NIP planar. También demostraron el enorme potencial de la perovskita FAPbBr3 a partir de técnicas de procesamiento de solución, como el recubrimiento por centrifugación. Así, desarrollaron células solares de heterounión en masa con alta transparencia, neutralidad de color y alta eficiencia de conversión.
La fabricación de células solares transparentes en CITYSOLAR para aplicaciones BIPV mostró valores muy similares a los predichos por las simulaciones. Para mejorar aún más estos valores, se incluyeron sistemas de gestión de la luz en las simulaciones. También se realizó la optimización del escalado, lo que permitió producir módulos fotovoltaicos de área grande con eficiencias similares a las obtenidas con células solares de laboratorio de área pequeña.
Estrategia de fabricación de módulos fotovoltaicos para aplicaciones BIPV
La tecnología fotovoltaica multiunión de CITYSOLAR se basa en una perovskita de haluro de luz ultravioleta cercano en la celda superior y una célula fotovoltaica orgánica de infrarrojo cercano en la celda inferior. Los módulos fotovoltaicos se fabrican de forma independiente sobre sustratos rígidos o flexibles y luego se laminan juntos con capas intermedias adecuadas para fabricar una estructura multiunión de dos terminales.
Este enfoque, que extiende la técnica de unión de obleas utilizada para células multiunión de alta eficiencia, permite fabricar células y módulos solares sin las limitaciones de fabricación impuestas por el módulo inferior, simplificando enormemente la fabricación del dispositivo fotovoltaico. En este contexto, el proceso de laminación representa un paso crucial, según indican los investigadores, ya que debe garantizar la transparencia óptica, la resistencia mecánica y la conexión eléctrica.
La configuración de dos terminales se realizó empleando un esquema innovador que resuelve los problemas relacionados con el equilibrio entre el módulo superior y el módulo inferior, permitiendo finalmente que el módulo fotovoltaico transparente de gran superficie pueda ser integrado en un elemento BIPV para su futura aplicabilidad en ventanas de edificios sostenibles.
En definitiva, CITYSOLAR aúna la innovación de materiales, un nuevo concepto de célula solar multiunión fabricada con absorbentes selectivos con la propiedad de reducir el impacto de la luz en el rango visible, técnicas avanzadas de gestión de la luz para mejorar la eficiencia sin afectar a la transparencia y una integración innovadora entre células fotovoltaicas y soluciones BIPV.
CITYSOLAR desarrolla células solares integradas para ventanas