Desarrollan un filtro óptico para mejorar el rendimiento de los módulos solares IBC

Científicos de la Universidad Tecnológica de Delft (Países Bajos) han diseñado un filtro óptico simplificado para la gestión térmica pasiva de paneles fotovoltaicos de contacto posterior interdigitado (IBC, por sus iniciales en inglés).

“El diseño propuesto está adaptado a las células solares IBC. Sin embargo, el planteamiento tecnológico puede aplicarse a cualquier tecnología de células solares”, declaró a pv magazine el autor principal de la investigación, Juan Camilo Ortiz Lizcano. “Nuestro objetivo era desarrollar un filtro que pudiera funcionar en una arquitectura de célula solar que ya presenta un buen comportamiento térmico. El enfoque también funciona en otras tecnologías de células, como Al-BSF [campo de superficie posterior de aluminio]. Por ejemplo, nuestro marco puede predecir si rechazar sólo la radiación sub-bandgap podría aportar mejoras en el rendimiento energético de estas células solares”.

El equipo de investigación analizó si los diseños sencillos y con pérdidas podían seguir aportando beneficios de rendimiento energético al tener en cuenta los mecanismos de degradación. “Queremos destacar la importancia de tener en cuenta la degradación a la hora de estudiar la viabilidad de una solución de refrigeración dirigida a módulos solares”, añadió Ortiz Lizcano. “Además, este principio de reflectancia dual también es interesante para diseños polivalentes, como proporcionar refrigeración y color a un módulo fotovoltaico, una idea que esperamos explorar en el futuro”.

El equipo de investigación desarrolló el filtro óptico con dos materiales, uno de alto índice de refracción, el nitruro de silicio (SiNX), y otro de bajo índice de refracción, el dióxido de silicio (SiO2). Depositó los materiales secuencialmente por parejas y calibró su grosor en función del valor de la longitud de onda. “Seleccionamos estos dos materiales porque difieren significativamente en sus índices de refracción y no son absorbentes en el rango en el que las células solares producen electricidad (300 – 1200 nm)”, subrayó Ortiz Lizcano. “Una diferencia significativa entre el índice de refracción de los materiales se traduce en un menor número de capas para conseguir altos valores de reflectancia en un amplio rango de longitudes de onda”.

Los científicos compararon el filtro óptico con un dispositivo de control basado en óxido de titanio (TiO2) y fluoruro de magnesio (MgF2), así como con una célula solar sin filtro. “Aunque el TiO2 y el MgF2 ofrecen ventajas desde el punto de vista óptico, dependiendo de sus condiciones de deposición, el uso de MgF2 en sistemas multicapa puede presentar problemas de fiabilidad”, afirma Ortiz Lizcano. “Dado que nuestro objetivo era la practicidad y la simplicidad, seleccionamos dos materiales ampliamente utilizados en la industria fotovoltaica que han demostrado una estabilidad fiable en pilas multicapa”.

Mediante un marco de modelos computacionales, los investigadores realizaron una serie de simulaciones destinadas a medir el efecto del filtro en la temperatura operativa de la célula. Supusieron que el filtro se aplicaría en células solares IBC bifaciales de SunPower Maxeon, y que las células funcionarían en dos lugares distintos, Delft, en los Países Bajos, y Singapur.

El análisis demostró que el filtro puede reducir la temperatura de la célula en Delft en 2,20 ºC y la de la célula en Singapur en 2,45 ºC. Se comprobó que las pérdidas ópticas de las células eran del 9,76% y el 10,01%, respectivamente, y que estas pérdidas no se compensaban con la refrigeración proporcionada por el filtro. “Sin embargo, en lo que respecta a la fiabilidad a largo plazo, el filtro térmico prolongó la vida útil de un módulo fotovoltaico en 2 años en Singapur y 1 año en Delft”, declararon los científicos. “Teniendo en cuenta los efectos de la degradación, la prolongación de la vida útil proporcionada por el filtro térmico en Singapur arroja un resultado global positivo en términos de rendimiento energético de corriente continua en ambos escenarios, con ganancias relativas del 3,12%”.

Ortiz Lizcano explicó que el trabajo de investigación se ha limitado hasta ahora a la modelización y la validación experimental, incluidos los mecanismos de degradación. “Todavía tenemos que evaluar a fondo el impacto económico de la solución”, añadió. “Otros investigadores estiman que un filtro formado por ocho capas para aplicaciones fotovoltaicas tendrá un coste incrementado de 1,7 dólares/m2, cómo aumentará este coste con filtros con mayor número de capas es nuestro siguiente paso para evaluar su idoneidad”.

La tecnología de refrigeración pasiva se presentó en el estudio “Practical design of an optical filter for thermal management of photovoltaic modules” (Diseño práctico de un filtro óptico para la gestión térmica de módulos fotovoltaicos), publicado recientemente en Progress in Photovoltaics.