Un nuevo paradigma fotovoltaico: cuando el silicio ya no es suficiente

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(Este artículo forma parte del capítulo 13 de mi libro: «¿Qué hacen por nosotros los semiconductores? El petróleo del siglo XXI«)

La gran ventaja competitiva de la energía solar

Pocas tecnologías energéticas pueden presumir hoy de una ventaja competitiva tan clara como la energía solar fotovoltaica. Es modular, escalable, silenciosa, no depende de combustibles importados y, sobre todo, ha logrado algo que durante décadas parecía inalcanzable: ser la fuente de electricidad más barata en gran parte del planeta. En apenas cuarenta años, el precio del vatio solar se ha desplomado más de un 90 %, impulsando una expansión global sin precedentes.

Sin embargo, este éxito encierra también una paradoja. La tecnología que ha hecho posible esta revolución —la célula solar de silicio— se encuentra hoy muy cerca de su límite práctico de eficiencia. Tras más de tres décadas de optimización industrial extrema, el margen de mejora adicional es reducido. Los récords actuales rozan el 27 % en laboratorio, pero avanzar más allá exige un cambio de paradigma, no simples ajustes incrementales.

Ahí es donde entran en juego las células solares tándem. Combinando dos materiales semiconductores con propiedades complementarias, estas arquitecturas permiten aprovechar mejor el espectro solar y abrir la puerta a eficiencias superiores al 30 %, un umbral simbólico y tecnológico que marca el inicio de una nueva etapa para la fotovoltaica. Entre todas las opciones posibles, el tándem silicio + perovskita se perfila hoy como la más prometedora para llevar ese salto de eficiencia al mercado real.

Para aclarar este concepto, la siguiente imagen muestra la idea esquemática de lo que es una célula solar tándem de perovskita y silicio: los fotones de mayor energía son absorbidos por la célula de perovskita, que se sitúa en la parte superior de la estructura; por su parte, los fotones de menor energía los absorbe la célula de silicio, situada en la parte inferior. Con la sinergia de ambas células, el conjunto puede superar la barrera del 30% de eficiencia, obteniéndose “lo mejor de ambos mundos”.

El límite del silicio: una tecnología madura

La célula solar de silicio de homounión domina el mercado fotovoltaico con una cuota cercana al 95 %, en sus diferentes variantes industriales (PERC, TOPCon, HJT…). Se trata de una tecnología extraordinariamente madura, fruto de décadas de optimización en materiales, procesos y diseño de dispositivos.

Ese grado de madurez tiene una consecuencia directa: la eficiencia ha crecido muy lentamente en los últimos 30 años. Desde el 24.2 % alcanzado en 1990 hasta el 26.81 % actual, el avance ha sido de apenas 2.5 puntos porcentuales. No es una falta de innovación, sino una limitación física intrínseca asociada al propio silicio y a cómo interactúa con el espectro solar. Para romper ese techo no basta con mejorar contactos, pasivaciones o texturizados. Es necesario repensar la arquitectura del dispositivo.

El concepto de célula solar tándem

La idea fundamental de una célula tándem es elegante y poderosa: apilar dos células solares diferentes, de manera que cada una absorba una parte distinta del espectro solar. Los fotones más energéticos son absorbidos por la célula superior; los menos energéticos, que atraviesan esa primera capa, son aprovechados por la célula inferior. Esta estrategia reduce las pérdidas fundamentales que limitan a las células de unión única:

• Los fotones de baja energía que no se absorben.
• La disipación térmica asociada a fotones excesivamente energéticos.

El resultado es una conversión mucho más eficiente de la luz solar en electricidad, sin necesidad de aumentar el área del módulo, lo que convierte a estas estructuras en candidatas ideales para reducir el coste del kWh solar en la próxima década.

El tándem silicio + perovskita: lo mejor de ambos mundos

Entre los distintos materiales candidatos para formar tándems, las perovskitas halogenadas destacan de forma clara. Desde la primera célula solar basada en ellas en 2009, su evolución ha sido vertiginosa, hasta convertirse en el campo más activo de la investigación fotovoltaica actual. Esto se debe a que las perovskitas cumplen una combinación de requisitos difícil de igualar:

1. Absorción complementaria a la del silicio, capturando eficazmente los fotones de mayor energía.
2. Altas eficiencias en célula individual, ya competitivas con tecnologías maduras.
3. Procesado sencillo y potencialmente barato.
4. Compatibilidad con tecnologías industriales existentes, especialmente con el silicio.

Gracias a esta sinergia, las células tándem silicio-perovskita ya han demostrado eficiencias cercanas al 35 % en laboratorio, superando con holgura el límite práctico de cualquier célula de unión única.

No se trata de una promesa lejana: empresas como Oxford PV, Tandem PV o incluso grandes fabricantes asiáticos están avanzando hacia la industrialización de esta tecnología. La siguiente imagen muestra los posibles escenarios de mejora de eficiencia en dispositivos fotovoltaicos basados en Si, CuInGaSe2 (CIGS) y perovskitas, tanto en células individuales como en tándem y en triple unión, de aquí a 2050.

Retos tecnológicos pendientes

A pesar de su enorme potencial, el tándem silicio-perovskita aún enfrenta desafíos clave. Uno de los más complejos es cómo integrar la perovskita sobre la superficie real de una célula de silicio, que no es plana, sino texturizada en forma de pirámides microscópicas para maximizar la absorción de luz. La siguiente figura es una imagen compuesta para ilustrar este concepto clave. En la parte superior, se aprecia la superficie texturizada del Si utilizado en células solares observada al microscopio. Como ya se ha dicho, la superficie tiene una estructura irregular, constituida por pirámides cuyo objetivo es incrementar la absorción de luz. En la parte inferior se observa una de las pirámides de Si totalmente recubierta con las diversas capas que componen la célula de perovskita. La escala de cada imagen se detalla en la esquina inferior derecha.

Los primeros intentos revelaron problemas serios: recubrimientos incompletos, cortocircuitos, falta de control de espesores. En los últimos años, diversos grupos de investigación han desarrollado estrategias intermedias —capas de adaptación, técnicas de conformado— que permiten, en palabras de algunos investigadores, “preparar la cama perfecta para la perovskita”.

El resultado son dispositivos con recubrimientos homogéneos y comportamiento eléctrico excelente, que acercan esta tecnología a la producción comercial. La siguiente imagen muestra una de las últimas células tándem de Si y perovskita desarrolladas en el Fraunhofer ISE. Se han detallado las diversas capas que componen la célula de perovskita.

Más allá del tándem: los dispositivos multi-unión

El concepto tándem es, en realidad, un caso particular de una idea más general: los dispositivos de multi-unión, en los que se apilan tres, cuatro o más células solares distintas. Estas arquitecturas, basadas habitualmente en semiconductores III-V como GaAs o GaInP, permiten aprovechar casi todo el espectro solar. La última imagen de este artículo muestra una imagen obtenida por microscopía electrónica de una célula solar de seis uniones (izquierda). En la parte derecha, se detalla un corte esquemático del dispositivo. Esta célula tiene una eficiencia muy elevada (47.1%) y está fabricada en el National Renewable Energy Laboratory de EE. UU. La complejidad de la estructura y de su procedimiento de fabricación son extraordinarios.

Las eficiencias alcanzadas son espectaculares —superiores al 45 %—, pero a costa de una complejidad tecnológica extrema y de costes prohibitivos para aplicaciones terrestres. Por ello, su uso queda restringido hoy a satélites y exploración espacial. Frente a este escenario, el tándem silicio-perovskita emerge como una solución intermedia brillante: gran parte del beneficio en eficiencia, con un camino realista hacia costes competitivos.

Conclusión: el siguiente salto de la fotovoltaica

La historia de la energía solar es la historia de una tecnología que no deja de reinventarse. Hoy, cuando el silicio se acerca a su límite teórico de eficiencia, las células tándem representan el siguiente gran salto evolutivo. Superar el 30 % de eficiencia no es solo un récord: es una palanca estratégica para acelerar la transición energética global.

Si la evolución continúa al ritmo actual, es muy probable que en pocos años hablemos de la fotovoltaica tándem no como una promesa, sino como el nuevo estándar industrial.