Paneles Fotovoltaicos Transparentes

Los paneles solares transparentes constituyen una solución innovadora en el campo de la energía renovable, permitiendo generar energía eléctrica al mismo tiempo que transmiten luz visible, lo que abre un amplio espectro de aplicaciones en la construcción, la arquitectura y la electrónica de consumo.

Tecnología de células fotovoltaicas orgánicas

Células fotovoltaicas orgánicas (OPV) son dispositivos construidos con compuestos que contienen átomos de carbono, utilizando polímeros y pequeñas moléculas orgánicas capaces de absorber la radiación solar y conducir la energía eléctrica. La estructura de una célula orgánica típica se compone de capas colocadas entre electrodos (incluida una transparente), donde la capa activa, que es una mezcla de compuestos donantes y aceptores de electrones, juega un papel clave. El proceso de fabricación incluye mezclar moléculas que donan y aceptan electrones con un disolvente, crear una fina capa activa y vaporizar los electrodos, siendo la capa de aluminio la que suele constituir el cátodo.

Las células OPV se distinguen por numerosas ventajas: son flexibles, semitransparentes, ligeras y pueden contener una capa que absorbe la luz hasta 1000 veces más delgada que las células de silicio. A pesar de estas ventajas, la tecnología se enfrenta a desafíos en forma de baja eficiencia, poca estabilidad de funcionamiento y corta vida útil, principalmente debido a la susceptibilidad a la degradación por la humedad, el oxígeno y la luz solar. La investigación se centra en mejorar estos parámetros, y los últimos logros han permitido obtener una conversión de energía de casi 20%. Los científicos están trabajando para comprender el transporte de cargas en estas células, descubriendo que la densidad de estados responsable de este proceso es más compleja de lo que se pensaba.

Aplicaciones en fachadas de edificios

Los paneles solares transparentes encuentran una aplicación particularmente prometedora en la fotovoltaica integrada en edificios (BIPV), donde se incorporan sin problemas a elementos estructurales como fachadas, tejados o ventanas. Esta tecnología cumple una doble función: constituye una parte integral del revestimiento del edificio, al tiempo que transforma la energía solar en eléctrica. Se estima que sólo en Estados Unidos existe un potencial de uso de aproximadamente 7 mil millones de metros cuadrados de superficies de vidrio, desde ventanas domésticas hasta fachadas de rascacielos, que podrían ser aprovechadas por células fotovoltaicas transparentes.

Las aplicaciones prácticas de esta tecnología incluyen:

• Integración con fachadas de edificios sin afectar negativamente su estética.
• Uso en invernaderos, donde los paneles no sólo suministran energía para calefacción e iluminación, sino que también reducen los gastos energéticos (en uno de los proyectos alemanes en aproximadamente un 20%).
• Instalación en ventanas, tejados de cristal y fachadas, donde los paneles tradicionales opacos no podrían ser utilizados.
• Implementación en tragaluces, donde la luz natural es esencial, manteniendo al mismo tiempo la función de generación de energía.

Eficiencia de los paneles semitransparentes

La eficiencia de los paneles fotovoltaicos semitransparentes es un compromiso entre la transmisión de luz y la eficiencia energética. A diferencia de los paneles monocristalinos estándar, que alcanzan una eficiencia del 19-24%, los módulos semitransparentes suelen caracterizarse por una eficiencia ligeramente inferior debido a su capacidad para transmitir parte de la radiación solar. El modelo suizo CLI400M10, que utiliza 108 células monocristalinas TOPCon, es un ejemplo de tecnología BIPV (Building Integrated Photovoltaics) avanzada que mantiene una alta eficiencia a pesar de su construcción semitransparente.

Parámetros clave que influyen en la eficiencia de los paneles semitransparentes:

• Tecnología de producción de células - las soluciones monocristalinas ofrecen la mayor eficiencia.
• Condiciones atmosféricas - la insolación y la temperatura influyen directamente en el rendimiento energético.
• Durabilidad - los paneles semitransparentes de alta calidad conservan hasta el 88% de su eficiencia original después de 30 años de uso.
• Orientación y ángulo de inclinación - una instalación adecuada puede aumentar significativamente la eficiencia, y 1 kWp de potencia nominal correctamente instalado debería generar unos 1000 kWh al año en Polonia.

Optimización del Crecimiento de las Plantas

Los paneles fotovoltaicos semitransparentes ofrecen beneficios únicos para las plantas en los edificios, especialmente en los invernaderos. Los estudios de la Universidad Estatal de Carolina del Norte mostraron que la lechuga cultivada bajo células solares orgánicas (ST-OSC) no mostró diferencias significativas en parámetros clave, como el nivel de antioxidantes, la absorción de CO₂, el tamaño y el peso en comparación con las plantas cultivadas en condiciones estándar. Esto se debe a que estos paneles especializados absorben principalmente longitudes de onda de luz que las plantas no utilizan en el proceso de fotosíntesis.

Los sistemas agrovoltaicos avanzados optimizan aún más el crecimiento de las plantas mediante:

• Transformar la radiación UV en un espectro rojo, más beneficioso para la fotosíntesis gracias al uso de nanotecnología.
• Crear un microclima beneficioso a través del sombreado parcial, que reduce el estrés térmico de las plantas.
• Regular la temperatura en los invernaderos, lo que elimina la necesidad de calefacción o refrigeración adicional.
• Aumentar la producción de biomasa vegetal hasta en un 50% con una disposición adecuada de los paneles.

Materiales Semiconductores Avanzados

Los paneles fotovoltaicos transparentes utilizan materiales y tecnologías innovadoras que les permiten absorber selectivamente longitudes de onda de luz invisibles al ojo humano, al tiempo que transmiten la luz visible. Los materiales clave utilizados en estas construcciones son óxido de indio y estaño (ITO), disulfuro de tungsteno y sales orgánicas, que absorben la radiación ultravioleta e infrarroja. Investigadores de la Universidad Estatal de Michigan desarrollaron las primeras células totalmente transparentes en 2014, utilizando compuestos orgánicos para absorber longitudes de onda invisibles, lo que permitió que el vidrio funcionara como un cristal típico al tiempo que producía energía.

Tecnológicamente, los paneles transparentes se dividen en varios tipos:

• Células solares de perovskita con una amplia banda prohibida, que actúan como absorbentes UV eficientes.
• Células solares sensibilizadas por colorante que absorben el infrarrojo cercano (NIR).
• Células fotovoltaicas orgánicas (OPV) que utilizan compuestos de carbono, que ofrecen flexibilidad y un menor coste de producción.
• Sistemas tándem que combinan diferentes tecnologías, alcanzando una eficiencia de conversión de energía (PCE) de hasta 14% con una transmitancia de luz visible promedio (AVT) superior al 55%.

Los últimos avances en este campo permiten crear células con una transparencia de hasta el 80% con una eficiencia de hasta 8%, lo que visualmente se asemeja a una ventana con doble acristalamiento. Aunque la eficiencia actual de los paneles transparentes es menor que la de las soluciones de silicio tradicionales, su potencial de aplicación y los trabajos de investigación en curso sugieren un desarrollo significativo de esta tecnología en los próximos años.