Leybold apoya a ZSW en soluciones de recubrimiento complejas para nuevas células solares. 16 de septiembre de 2022
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Habilitar la revolución energética
El objetivo de la revolución energética en Alemania es cubrir la demanda energética privada e industrial de energías renovables para 2045. La tensa situación en Europa muestra que esto es beneficioso tanto para el medio ambiente como para la autosuficiencia de toda la economía de la Unión Europea en general. Por lo tanto, la tarea es promover la generación de electricidad a partir del viento, el agua y el sol.
Uno de los principales institutos de investigación y desarrollo energético de Europa es el Centro para la investigación de la energía solar y el hidrógeno (Zentrum für Sonnenenergie - und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg [ZSW]) con sede en Stuttgart. La ZSW se dedica a este mismo objetivo de lograr un suministro energético del 100 % a partir de energías renovables en Alemania para 2045.
Si las energías renovables se ponderan en función de su disponibilidad, la tecnología solar se considera fundamental. Simplemente porque la potencia radiante del sol se puede planificar mejor que la del viento. Una ventaja adicional es que las centrales solares pueden implementarse de forma descentralizada, es decir, lejos de la costa en parques eólicos en alta mar o centrales eléctricas en mareas en toda Alemania.
Además de ampliar las superficies de los parques solares, los tejados de las casas, etc., también es importante aumentar la eficiencia de cada célula solar. En otras palabras, para absorber más luz de la luz solar incidente.
El reto: una célula solar de silicio convencional alcanza su límite de rendimiento teórico con un rendimiento del 29 % (límite de Shockley-Queisser). Esto significa que se puede convertir un máximo del 29 % de la energía luminosa incidente en electricidad.
Trabajar juntos para lograr el objetivo:
ZSW desarrolla una innovadora célula solar en tándem, Leybold garantiza la tecnología que permite el recubrimiento
Este límite natural del silicio podría superarse con una célula solar en tándem.
En las prometedoras pruebas realizadas por los investigadores del CSEM y EPFL, se pudo alcanzar una eficiencia de casi el 31,25 % con una célula solar en tándem. Las células solares en tándem se caracterizan por el hecho de que utilizan dos materiales absorbentes con diferentes espacios entre bandas que absorben los diferentes rangos espectrales del espectro solar y, por lo tanto, lo utilizan de forma más eficiente. Esto conduce a una reducción significativa de los costes por cada KWh producido. Además, tenga en cuenta que los haluros organometálicos, como el yoduro de metilamonio, se usan típicamente.
Sin embargo, en este punto, ZSW alcanzó sus límites con su propio equipo técnico, ya que trabajar con perovskita puede provocar rápidamente reacciones químicas no deseadas, como quemaduras químicas. Por este motivo, se buscó un socio de la industria que pudiera demostrar años de experiencia en construcción de plantas y experiencia en vacío.
Así comenzó la cooperación entre ZSW y Leybold. ZSW es un experto en tecnología solar y Leybold es un experto en recubrimientos de película fina de alto vacío y todos los sistemas están equipados con componentes de vacío desarrollados internamente.
El objetivo de esta colaboración: crear una configuración de vacío experimental para que las hipótesis sobre el modo de acción de la célula solar en tándem se puedan probar lo más rápidamente posible. Para ello, se han construido e instalado cuatro cámaras de proceso con diferentes métodos de recubrimiento. Este fue un reto interesante, ya que la mayoría de los sistemas de ingeniería de plantas solo requieren una cámara de proceso.
Línea experimental totalmente funcional en vacío: la UNIVEX C 900 de Leybold
La serie UNIVEX comprende sistemas de recubrimiento multiusos para la producción de recubrimientos PVD funcionales. Características como el diseño modular, los tamaños variables de la cámara y los numerosos accesorios hacen que los sistemas de recubrimiento sean más flexibles. En los últimos 50 años, Leybold ha instalado más de 800 de estos sistemas únicos en todo el mundo.
El alcance funcional necesario para esta tarea lo proporciona el Leybold UNIVEX C 900, que se ha personalizado para adaptarse a las necesidades del ZSW.
En general, se pueden derivar dos usos predominantes de los sistemas:
- Configuraciones para la experimentación y la investigación que están optimizadas para la flexibilidad, de modo que puedan representar el mayor número posible de escenarios de prueba,
- Sistemas para la producción que recubren el mayor número posible de sustratos con un rendimiento optimizado.
La característica especial de la UNIVEX C 900 instalada en la ZSW es su flexibilidad gracias a las cámaras de proceso de disposición modular.
En las cuatro cámaras se pueden realizar los siguientes métodos de recubrimiento:
- Cámara de proceso 1: cámara de pulverización catódica - 3 fuentes de pulverización catódica aplican el recubrimiento al sustrato.
- Cámara de proceso 2: cámara de evaporación termoorgánica.
- Cámara de proceso 3: cámara del evaporador de haz de electrones, capaz de gestionar la fusión de materiales a temperaturas muy altas. Es ideal para aplicaciones que ahorran material, por ejemplo, porque el material que se va a aplicar es caro.
- Cámara de proceso 4: Esta es especialmente importante para la célula solar en tándem porque es la cámara donde se evaporan las perovskitas. Dado que pueden ser agresivas para otros materiales y para las personas, el enfoque se centra en la seguridad del operario.
Por motivos de seguridad, ahorro de tiempo y protección de los materiales frente al agua (que está presente en el aire ambiente), el sistema puede funcionar completamente en vacío gracias a dos cámaras adicionales:
- Una cámara de transferencia con un brazo robótico telescópico. Esta cámara se encuentra en el corazón de todo el sistema entre las cámaras de proceso: su función es mover los sustratos a través del sistema con una precisión milimétrica.
- Un cargador: el área de almacenamiento donde se pueden guardar los sustratos. Aquí, la robótica recupera el reabastecimiento cuando el sustrato anterior se ha procesado finalmente.
La revolución energética solo puede tener éxito cuando los expertos trabajan juntos en todas las industrias
La evaporación de las células solares de perovskita es una aplicación clave para las tecnologías futuras y las energías renovables. Además del desarrollo de estos procesos específicos, se prevé una asociación a largo plazo entre ZSW y Leybold, que une regularmente fuerzas con varios equipos de este y otros institutos para colaborar en nuevos proyectos.
Una vez configurado, el UNIVEX C 900 permite un control de procesos totalmente automatizado con resultados altamente reproducibles. Estamos seguros de que la ZSW utilizará el sistema UNIVEX para aumentar los conocimientos a través de una alta densidad de experimentos y de que juntos contribuiremos a una transición energética exitosa.
Esperamos que ZSW y muchos otros institutos de investigación apoyen la transición energética mundial. Creemos firmemente que solo podemos dominar esta transformación radical si trabajamos juntos.
