DOI: https://doi.org/10.60647/600Q-1G47
Resumen
Para llevar a cabo una transición energética a fuentes de energía distinta a las basadas en combustibles fósiles, se requieren dispositivos fotovoltaicos más eficientes y rentables. El desarrollo de celdas solares no solo se puede llevar a cabo en el laboratorio, sino que en la simulación numérica se encuentra un medio que permite a los científicos analizar el comportamiento de materiales y configuraciones de celdas solares que permiten guiar experimentos con mayor precisión.
Este artículo describe cómo la simulación numérica puede ser aplicada al desarrollo de celdas solares, recalcando sus beneficios en comparación con la experimentación, además de su rol en el perfeccionamiento de las arquitecturas de las celdas solares. También se dan algunos ejemplos de investigaciones, donde se muestra que softwares como SCAPS-1D han logrado eficiencias teóricas mayores al 25% en celdas solares.
No se puede reemplazar la experimentación con la simulación, sino más bien usar la simulación como herramienta complementaria que ayude a la experimentación, ya que a través de la simulación podemos analizar cientos de materiales y configuraciones de celdas solares antes de producir una celda solar de manera experimental, por lo que la simulación numérica de celdas solares es una herramienta para el desarrollo de estas.
Palabras clave: Simulación celdas solares, energía fotovoltaica, energías renovables
Introducción
Constantemente el sol está emitiendo energía, para imaginarnos la cantidad de energía que el sol emite piensa en que cada hora, el sol irradia más energía de la que consume toda la humanidad en un año entero. Considerando este hecho, surge la obvia necesidad de aprovechar toda esta energía. Para esto, la tecnología de las celdas solares es un medio prometedor para aprovechar lo que el sol nos ofrece, ya que en 50 años las eficiencias alcanzadas por las celdas solares han pasado de un 6 a un 26%.
Una manera de que el desarrollo de las celdas solares siga creciendo es la combinación entre la simulación en computadora y la experimentación en los laboratorios. Esto debido a que antes de realizar físicamente una celda solar, los científicos realizan modelos virtuales donde simulan y analizan nuevas estructuras de celdas solares, permitiendo así optimizar modelos que posteriormente se pueden llevar al laboratorio para reproducirlos experimentalmente.
En la década de los 60 se construyeron las bases matemáticas que describen el comportamiento de electrones y huecos (enlaces libres) en los materiales semiconductores y con el desarrollo en la década de los 80 de una mayor capacidad de cómputo, surgieron softwares especializados que podían solucionar las ecuaciones que describen el comportamiento de los semiconductores en dispositivos reales.
Un gran avance en el desarrollo teórico de las celdas solares sucedió en el año 2000, cuando el Dr. Marc Burgelman de la Universidad de Gante, Bélgica, desarrolló el software SCAPS-1D (Burgelman, Nollet & Degrave, 2000). Este software permitió que centenares de científicos simularan celdas solares basadas en semiconductores inorgánicos como el Teluro de Cadmio (CdTe) y, posteriormente también permitió la simulación de celdas solares orgánicas (perovskitas). Abriendo paso a que el desarrollo de la tecnología fotovoltaica pueda modelarse digitalmente antes de realizarse físicamente en el laboratorio.
¿Cómo se realiza una simulación numérica de celdas solares?
Una celda solar se compone de capas muy delgadas de materiales semiconductores, cada material semiconductor cuenta con propiedades específicas, tales como espesor, movilidad de portadores (electrones y huecos), afinidad electrónica, ancho de banda prohibida, etc. Estas propiedades de cada capa son introducidas al simulador o software y así se puede calcular cómo será la interacción de estas capas a la exposición de la luz solar.
Esto es precisamente lo que hace el software SCAPS-1D (Simulador de Capacitancia de Celdas Solares Unidimensional por sus siglas en inglés), resuelve las ecuaciones matemáticas necesarias con los parámetros introducidos de cada capa para obtener parámetros de rendimiento de la celda solar tales como: eficiencia, voltaje de circuito abierto, Corriente de corto circuito, etc. Así, los científicos pueden modificar los parámetros de cada capa de la celda solar para analizar el comportamiento de la misma y poder obtener el mayor rendimiento teórico posible antes de realizar la celda física.
Las ventajas que ofrece la simulación se pueden resumir en las siguientes:
- Optimización de recursos: realizar prototipos experimentales es costoso económicamente además de que consume mucho tiempo. Mientras que una simulación permite analizar diferentes prototipos en menos tiempo y sin necesidad de gastar recursos materiales.
- Análisis del funcionamiento: Permite analizar de manera más profunda los cambios observados en la celda solar ya sea teórica o experimental, permitiendo estudiar y entender procesos como la recombinación de electrones y huecos en las uniones de las capas.
- Herramienta didáctica: por la naturaleza interactiva de un proceso de simulación permite que las nuevas generaciones de científicos en formación entiendan de mejor manera la física que rige el comportamiento de las celdas solares, tal como lo dijo Jenny Nelson en su libro “The Physics of Solar Cells” (2003), la simulación numérica no solo es generar resultados en poco tiempo, sino que también contribuye a entender fenómenos físicos que pueden orientar de manera sustancial a los científicos.
Ejemplos del uso de la simulación numérica en el desarrollo de celdas solares
Un estudio realizado en México (Medina et al., 2024), propuso un nuevo diseño de celda solar usando una doble capa absorbente (generalmente se usa una sola capa absorbente), donde a través de simulaciones en SCAPS-1D demostró que el rendimiento de esta celda solar podría alcanzar un rendimiento teórico del 27%.
Los resultados de este estudio demostraron que es posible encontrar alternativas al silicio cristalino (material líder en el mercado). Por otro lado, esta investigación ha abierto la posibilidad de nuevas líneas de investigación para diferentes estructuras de celdas solares.
En 2020, el Dr. Kumar y su equipo demostró que la eficiencia de celdas solares basadas en perovskitas se ven muy influenciadas por las capas de transporte utilizadas en la celda solar. Al emplear SCAPS 1-D, se logró obtener eficiencias cercanas al 22%. Este estudio ayudó a establecer rutas experimentales que al llevarse a cabo en el laboratorio obtuvieron resultados similares a los predichos.
Por último, Martin Green en 2022 corroboró que el incorporar una ruta de modelado/ simulación/experimentos de celdas solares ha sido un factor determinante para que la eficiencia de las celdas solares se haya incrementado en un periodo de tiempo más breve.
Desafíos de la simulación de celdas solares
La simulación numérica, a pesar de los avances, no es perfecta. Ya que existen parámetros que afectan la calidad de las simulaciones hechas, tales como: la certeza de los datos de las capas introducidas, los modelos matemáticos tienden a idealizar los dispositivos, desestimando en muchos casos imperfecciones que surgen en la fabricación real. Por lo que, la simulación en ninguna circunstancia es un reemplazo de la experimentación, al contrario, la simulación es una especie de brújula para encontrar caminos más directos al desarrollo de celdas solares más eficientes.
Existe actualmente un área de oportunidad que desafía la frontera de la simulación numérica, y es la inclusión de la inteligencia artificial, ya que, debido a su aprendizaje automático, tiene la capacidad para analizar miles de configuraciones de celdas solares de manera automática permitiendo encontrar configuraciones óptimas de manera más eficiente (Choudhhury et al., 2021).
Conclusión
La simulación numérica se ha convertido en una brújula que nos guía en la ruta correcta de la energía solar. Ya que por la versatilidad que ofrece la simulación, muchos científicos tienen la posibilidad de investigar materiales semiconductores, diseñar nuevas estructuras o arquitecturas de celdas solares con materiales novedoso y amigables con el medio ambiente y así, diseñar experimentos más eficientes. Esta posibilidad ha permitido obtener resultados en todo el mundo que ubican a la tecnología de celdas solares como una realidad que permita generar cada vez más energías limpias y renovables.
