La energía solar en la Estación Espacial Internacional: los dispositivos de multi-unión

Ignacio Mártil

Catedrático de electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

(El contenido de este post está recogido de forma más amplia y detallada en el Capítulo 4 de mi libro: "Energía solar. De la utopía a la esperanza”, Guillermo Escolar Ediciones, Madrid, 2020)

La Estación Espacial Internacional, con sus 16 brazos de paneles fotovoltaicos desplegados.

Este artículo está dedicado a describir los dispositivos fotovoltaicos que proporcionan energía a la Estación Espacial Internacional y a los diversos exploradores robóticos que estudian nuestro sistema solar.

1. El concepto de los dispositivos multi-unión

Un problema común a las tecnologías fotovoltaicas comerciales vigentes en la actualidad que están basadas en silicio y, en menor medida, en CdTe y CIGS, es que ninguna célula fabricada con estos semiconductores aprovecha eficientemente el espectro solar. Esto se debe a varios factores:

i) Ninguna de esas células puede absorber los fotones de energías inferiores a un determinado valor denominado gap del semiconductor, parámetro que determina qué energías puede absorber (las que son mayores que ese dato) y cuáles no (las que son inferiores a ese número). Eso hace que buena parte de la zona infrarroja del espectro solar no sea absorbida. Esta es una limitación muy importante en las células solares comerciales, ya que el infrarrojo representa casi la mitad de la energía que nos llega del Sol.

El espectro del Sol al llegar a la superficie de la tierra. Se indica qué porcentajes de la radiación incidente corresponden al infrarrojo, visible y ultravioleta

ii) Por otra parte, los fotones de energía de valor muy superior al del gap del semiconductor, aunque sí son absorbidos en la célula, tienen como efecto secundario que calientan excesivamente el dispositivo, reduciendo su eficiencia. En este caso, una parte sustancial de la zona visible y todo la región ultravioleta del espectro solar se absorben de manera ineficiente.

Como consecuencia de lo anterior, las células solares solo aprovechan óptimamente los fotones de energías ligeramente superiores al gap del semiconductor. Para tratar de resolver este problema, se construyen los denominados dispositivos de multi-unión, utilizando para ello una familia de semiconductores constituidos por los elementos de las columnas III y V de la Tabla Periódica (GaAs, GaInP, GaInAs, etc.) y utilizando generalmente como sustrato otro semiconductor, habitualmente Germanio, aunque también se usa Silicio desde hace relativamente poco tiempo.

Se utilizan estos semiconductores ya que poseen valores del gap variables en todo el abanico que va desde el infrarrojo próximo al violeta. Además, todos tienen una estructura cristalográfica muy similar (por estructura cristalográfica se entiende la manera en la que se ordenan los átomos dentro de cada semiconductor ), lo que facilita que las zonas de contacto entre los diferentes componentes sean de buena calidad. La imagen muestra una oblea semiconductora sobre la que se han procesado un total de 15 células de tamaños reducidos (entre 1 y 4 cm²) en comparación con el que tienen las células comerciales de silicio (240 cm²):

Izquierda: oblea procesada en el Fraunhofer ISE con 15 células de multi-unión. Derecha: detalle de una zona de dicha oblea. Se aprecian los finos electrodos recolectores de la corriente fotogenerada

Los dispositivos de multi-unión dividen la luz solar en “porciones”, cada una de las cuales es absorbida por una célula determinada. Las diversas células, constituidas a su vez por varias capas, se apilan unas encima de otras, con la luz incidiendo sobre la célula fabricada con el semiconductor de gap mayor de todos, que absorbe las longitudes de onda (en lo que sigue, l.d.o.) más cortas del espectro solar y deja pasar las l.d.o. más largas a las células que se encuentran debajo de la primera. La figura siguiente muestra la estructura y la parte del espectro solar que absorbe cada una de las células integrantes de un dispositivo de tres uniones:

Izquierda: Estructura física de una célula solar de multi-unión, indicando la situación de cada célula en el conjunto. Derecha: el espectro solar en el borde exterior de la atmósfera (AM0) y en la superficie de la Tierra (AM1.5) y las zonas que son absorbidas por cada integrante del dispositivo; la luz incide por la parte superior de la estructura y es la célula de GaInP la que absorbe la parte del espectro solar mostrada en azul, la célula central de GaInAs absorbe el área sombreada en verde y la célula inferior de Ge absorbe la región del espectro sombreada en rojo

El soporte de la estructura lo constituye el Ge de la parte inferior; por encima se encuentra una célula construida sobre dicho soporte con el mismo semiconductor (la célula inferior), una célula realizada con GaInAs (célula central) y finalmente, una célula fabricada con GaInP (célula superior).

La corriente generada en cada una de las células que constituyen la estructura debe ser extraída al circuito exterior, lo que se consigue insertando entre cada dos células un diodo especial denominado “diodo túnel”, cuyo nombre hace mención al principio de Mecánica Cuántica que rige su comportamiento, por medio del cual la corriente generada en cada célula de la estructura puede circular entre ellas sin pérdidas apreciables. De esta forma, el dispositivo aprovecha la práctica totalidad del espectro solar, con lo que se obtienen eficiencias muy superiores a las de las tecnologías de Si, CdTe y CIGS, ya que se comercializan células con eficiencias superiores al 30%.

2. Aplicaciones de las células de multi-unión: el espacio es su territorio

Las células solares de muilti-unión son el método más viable y probado para superar las limitaciones de las tecnologías comerciales actualmente vigentes. Sin embargo, la tecnología de semiconductores III-V está aún lejos de ser rentable para aplicaciones fotovoltaicas a gran escala. En efecto, el problema esencial de estos dispositivos es su altísima complejidad tecnológica, lo que hace que su proceso de fabricación sea muy costoso. Al día de hoy, el precio por unidad de potencia es de cinco a ocho veces superior al de las células de Si, CdTe o CIGS -el precio del vatio para células de multi-unión oscila en el margen 1.5-2.2 €/W, frente al de las tecnologías comerciales, que se sitúan en el entorno de 0.2-0.3 €/W-, por lo que desde el punto de vista económico, no son competitivas en este momento. En el momento presente, esto limita sus posibles usos a aplicaciones muy específicas, como los satélites artificiales y la exploración espacial, campos en los que el coste de las baterías representa un parte muy pequeña del coste total de los sistemas:

Izquierda: uno de los paneles fotovoltaicos de la Estación Espacial Internacional visto al amanecer desde el interior de la Estación. Derecha: vista de uno de los paneles solares del explorador robótico Mars Insigth, en una imagen tomada por el propio sistema, algo así como un “selfie”

En el siguiente vídeo de mi canal de YouTube, podéis ver en una presentación de poco más de 10 min. las principales características de estas células solares y sus aplicaciones más relevantes:

Desde comienzos del presente siglo, se está estudiando la posibilidad de utilizar a gran escala esta tecnología en la Tierra, ya que dada la elevada eficiencia que poseen estos dispositivos frente a los comerciales basados en Si, CdTe y CIGS, sería factible obtener una determinada cantidad de energía empleando muchos menos paneles. Esta posibilidad, no exenta de grandes dificultades, principalmente de origen económico, la analizaré en un próximo artículo.