https://doi.org/10.37815/rte.v36n2.1158
ArtÃculos originales
Technological Evolution of Photovoltaic Solar Generation: A Literatu=
re
Review in the Last Decade
Richard
Fernando Criollo EnrÃquez1
Danny
Paúl Guaillas DomÃnguez1 =
https://orcid.org/0009-0004-1260-81=
76, Danny Ochoa
Correa2 https://orcid.org/0000-0001-5633-14=
80
1Fac=
ultad de
IngenierÃa, Universidad de Cuenca, Cuen=
ca,
Ecuador
richard.criollo@ucuenca.edu.ec, danny.guaillasd@ucuenca.edu.ec
2Dep=
artamento
de IngenierÃa Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones, Universidad de
Cuenca, Cuenca, Ecuador
Enviado:Â Â Â Â Â Â Â Â 2024/04/08<=
span
style=3D'font-size:10.0pt;font-family:"Segoe UI",sans-serif;mso-ansi-langua=
ge:
ES-MX'>
Aceptado:Â Â Â Â Â Â 2024/10/29
Publicado:
    2024/12/30
Resumen
Sumario: Introducción,
Materiales y Métodos, Resultados, Discusión de
Resultados, Conclusiones. Como citar=
: Criollo,
R., Guaillas, D.. & Ochoa, D. (2024). Evolución tecnológica de l=
a generación
solar fotovoltaica: una revisión de la literatura en la última déca=
da. Revista
Tecnológica - Espol, 36(2), 13-31. https://rte.espol.edu.ec/index.php/tecnologica/article/view/1158=
La innov=
ación
constante de tecnologÃas para generar energÃa eléctrica mediante el uso =
de
recursos renovables ha permitido que en los últimos años pueda ser compet=
itiva
con las tecnologÃas tradicionales hasta el punto de ser una gran opción en
sistemas a gran escala. Actualmente, las nuevas tecnologÃas fotovoltaicas
permiten obtener mayores eficiencias de conversión de energÃa, a la vez q=
ue
reducen costos con la implementación de nuevos materiales, siendo este úl=
timo
criterio primordial para su posterior implementación a gran escala. Este
artÃculo presenta una revisión de la literatura sobre la evolución tecno=
lógica
de generación solar fotovoltaica, evaluando y analizando únicamente artÃ=
culos
publicados en el periodo 2013-2023, mediante la metodologÃa PRISMA (Preferred Reporting Items for Systematic
Reviews, por sus siglas en inglés). De un tota=
l de
307 artÃculos identificados en prestigiosas bases de datos como Science Direct, IEEEXplore y Scopus, se ha seleccionado sistemáticamente y se ha
revisado un subconjunto de 12 artÃculos cientÃficos acorde a determinados
criterios de inclusión y exclusión definidos por los investigadores. La
sÃntesis del contenido de los artÃculos seleccionados revela que las
tecnologÃas emergentes: células de multi-unión, de
perovskita, células solares orgánicas y celdas de he=
terounión
de pelÃcula delgada, han logrado superar la eficiencia de las células sol=
ares
convencionales y presentar precios más competitivos en pos
facilitar la expansión de sistemas fotovoltaicos en múltiples aplicacione=
s.
=
Palabras clav=
e: Células fotovoltaicas; paneles fotovoltaico=
s;
tecnologÃa de materiales fotovoltaicos, energÃas renovables, generación
fotovoltaica.
Abstract
The constant innovation in
technologies for generating electrical energy through the use of renewable
resources has allowed them to become competitive with traditional technolog=
ies
in recent years. This has made them a great option for large-scale systems.
Currently, new photovoltaic technologies enable higher energy conversion
efficiencies while reducing costs through the implementation of new materia=
ls,
the latter being a key criterion for their subsequent large-scale deploymen=
t.
This article presents a literature review on the technological evolution of
photovoltaic solar generation, evaluating and analyzing only articles publi=
shed
between 2013 and 2023, using the PRISMA methodology (Preferred Reporting It=
ems
for Systematic Reviews and Meta-Analyses). From a total of 307 articles
identified in prestigious databases such as Science Direct, IEEEXplore, and
Scopus, a subset of 12 scientific articles has been systematically selected=
and
reviewed according to specific inclusion and exclusion criteria defined by =
the
researchers. The synthesis of the content of the selected articles reveals =
that
emerging technologies, such as multi-junction cells, perovskite cells, orga=
nic
solar cells, and thin-film heterojunction cells, have achieved higher
efficiencies than conventional solar cells and offer more competitive price=
s,
facilitating the expansion of photovoltaic systems in multiple applications=
.
Introducción
Actualmente,
a nivel mundial, se muestra una gran dependencia de los combustibles fósil=
es
dentro de la matriz energética. Sin embargo, esta dependencia energética
anticipa un escenario futuro complejo, caracterizado por un aumento progres=
ivo
de la demanda y la emisión de gases de efecto invernadero(Ozden et al., 2020a; Parhamfar et al., 2024)=
. Este panorama resalta la
necesidad de implementar cambios significativos en la matriz energética pa=
ra
abordar de manera efectiva los desafÃos asociados con la creciente demanda=
y la
sostenibilidad ambiental. La energÃa solar emerge como una solución funda=
mental
para abordar eficazmente este dilema, ya que constituye una fuente renovabl=
e y
sostenible que no solo proporciona una alternativa más respetuosa con el m=
edio
ambiente, sino que también contribuye a reducir las emisiones de gases
contaminantes (Bošnjaković et al., 2023; Zhang et al., 2023). Según varios escenario=
s, se
proyecta que más del 16% de la demanda mundial de energÃa será suministr=
ada a
través de la energÃa fotovoltaica para el año 2050 (British Petroleum, 2022; Hallam et al.,
2022), en do=
nde el
éxito de dicha tecnologÃa dependerá de factores clave basados en la
rentabilidad, la confiabilidad y la eficiencia (Ozden et al., 2020a).
La
eficiencia de un panel solar está relacionada con la calidad de sus célul=
as
fotovoltaicas (Li et al., 2021), por ello durante las ú=
ltimas
décadas, se ha llevado a cabo una intensiva investigación en nuevos mater=
iales
y estructuras de celdas solares con el fin de desarrollar nuevas tecnologÃ=
as
fotovoltaicas que puedan sustituir o complementar la bien establecida
tecnologÃa fotovoltaica basada en silicio y permitir las futuras demandas =
de
consumo de energÃa con bajo impacto ambiental (Abdellatif et al., 2020; Boychev & Petkova, 2023).
Entre
las novedosas estructuras fotovoltaicas se destacan las células tándem (Araki et al., 2020), células solares de per=
ovskita (Xu et al., 2020), celdas solares orgánic=
as e
hÃbridas(Liu et al., 2022), celdas solares de pelÃ=
cula
extremadamente delgada (An et al., 2022), celdas solares de heterounión de pelÃcula delgada (Saïdi et al., 2020), celdas solares sensibil=
izadas
con tintes y semiconductores (Liu et al., 2021). Si bien algunas de estas
tecnologÃas aún están en desarrollo y tienen una eficiencia baja, es imp=
ortante
destacar que al ser tecnologÃas de laboratorio, tienen el potencial de mej=
orar
su eficiencia (Green et al., 2023a). Por otro lado, la tecno=
logÃa de
células solares de silicio cristalino de unión única está alcanzando
rápidamente los lÃmites prácticos y teóricos de eficiencia. Los procesos
industriales aplicados a esta tecnologÃa son capaces de producir células =
de gran
área con eficiencias cercanas al 24% (White et al., 2014). A medida que la producc=
ión
comercial se aproxima a estos lÃmites, la=
Â
reducción adicional de costos solo será posible mediante una fabri=
cación
más económica, a menos que se encuentre una solución práctica para elev=
ar las
eficiencias hacia el 30% y más allá (White et al., 2014).
Una
solución prometedora es la exploración y combinación de nuevos materiale=
s, tal
como la célula tándem que combina tecnologÃa de células solares de pelÃ=
cula
delgada de bajo costo con células c-Si de alta eficiencia existentes en una
configuración apilada mecánicamente (Wang & Wu, 2023). Otro avance significativo es la pelÃcula delgada =
que
continúa mostrando mejoras y ahora ha alcanzado un nivel de rendimiento
comparable al de las obleas de p-Si, con una eficiencia máxima del 21%
utilizando un absorbedor Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) y =
del CdTe (Reinhard et al., 2015). Por otra parte, los mó=
dulos
solares de tecnologÃa bifacial, que aprovechan la radiación solar tanto e=
n sus
superficies delanteras como traseras (Jiang et al., 2023), han emergido como una
tecnologÃa con gran potencial para el uso en sistemas fotovoltaicos a gran
escala. Esta capacidad de captación por ambas caras permite un aumento
significativo en la eficiencia de conversión de energÃa, ya que maximiza =
la
producción de energÃa eléctrica al captar la luz solar directa y la luz
reflejada desde el suelo y otros objetos circundantes (Ernst et al., 2024).
El
avance hacia tecnologÃas fotovoltaicas más eficientes y asequibles desemp=
eñará
un papel determinante en el impulso y la promoción de soluciones destinada=
s al
autoabastecimiento energético de los distintos tipos de consumidores, una =
meta
perseguida por varios paÃses latinoamericanos, entre ellos Ecuador =
(Chabla-Auqui et al., 2023; Solano et al., 2024). En este contexto, compr=
ender
los avances de la última década en el desarrollo de paneles solares y sus
tendencias se vuelve esencial para enfrentar los
desafÃos energéticos actuales y futuros. La literatura reciente sugiere un
creciente interés en las células solares de próxima generación, como la=
s de
perovskita y las células de multi-unión, que =
prometen
superar las limitaciones de eficiencia y costo de las tecnologÃas de silic=
io
tradicionales.
Este artÃculo ofrece una revisión exhaustiva de la literatura sobre la evolución de la energÃa solar fotovoltaica, enfocada principalmente en los avances en eficiencia de las células solares durante la última década. A través de= un análisis detallado, empleando la metodologÃa PRISMA (Preferred = Reporting Items for Systematic Reviews, por sus siglas en inglés) (Page et al., 2021), se resaltan tanto los logros actuales como las perspectivas futuras de estas tecnologÃas. La contribuci= ón y novedad de este estudio radican en su enfoque en las células solares emerg= entes que están desafiando los lÃmites establecidos por el silicio cristalino, = lo cual es crucial en un momento en que las tecnologÃas convencionales están alcanzando sus lÃmites teóricos. Este artÃculo proporciona una visión g= eneral de las innovaciones tecnológicas, además, destaca las barreras y oportuni= dades que enfrentan estas tecnologÃas en su camino hacia la comercialización ma= siva. Esto es fundamental para una acertada toma de decisiones e incentivo de la implementación de este tipo de tecnologÃas, que gran parte de las normati= vas nacionales admiten y promueven.
Materiales y Métodos
Criterios aplicados para la selección= de documentos
La recopilación de documentos rele= vantes para este artÃculo se basó en un principio en la investigación de artÃc= ulos cientÃficos en bases de datos importantes como: IEEEX= plore, Science Direct y Scopus, aplicando una búsqueda avanzada con los términos de búsqueda “new materials photovoltaicâ€=  AND “new photov= oltaic technologies†además de establecer un rango = de tiempo desde el año 2013 hasta finales del año 2023. Los criterios de inclusión definidos se presentan de forma resumida en la Tabla 1.
Resumen de búsqueda en bases de = datos
|
Términos de búsqueda |
Catálogo digital |
Tipos de documento |
Cantidad de artÃculos |
|
“ New†“AND materials†AND “new photovoltaic technologies†|
Science Direct |
ArtÃculos |
50 |
|
“All Metadataâ€:new
materials photovoltaic AND “All Metadataâ€:new photovoltaic technologies |
IEEEXplore |
Revistas |
198 |
|
TITLE-ABS-KEY ( â€new materials†AND “photo=
voltaicâ€
AND “technology†) AND PUBYEAR >2012 AND PUBYEAR <2024 AND PUBY=
EAR
>2012 AND PUBYEAR <2024 AND (
LIMIT-TO ( DOCTYPE , “ar†) ) |
Scopus |
ArtÃculos |
59 |
<=
span
style=3D'mso-tab-count:1'>Â Â Â Â Â Â Â Â Â Â Â
Como parte de la filtración inicia= l de documentos, se excluyeron aquellas publicaciones que no fueran artÃculos cientÃficos aplicando además de los criterios de búsqueda anteriores los siguientes: Filtro “Revistas†en IEEE Xplore, tipo de artÃculo: “ArtÃculo de investigación†en Scienc= e Direct, tipo de documento: “ArtÃculo†en Scopus. De esta forma fue posible eliminar documentos como: artÃculos de opinión, re= vistas periódicas tipo “magazineâ€, artÃculos editoriales, libros, entre otro= s. El idioma de las obras consultadas no constituyó una restricción en este est= udio.
Análisis de los documentos encontrado= s
La tendencia en la base de datos de= IEEE Xplore reflejó un creciente interés en la investiga= ción sobre la energÃa solar fotovoltaica, alcanzando su punto máximo de publicaciones en el año 2022 con 27 Ãtems. En contraste, la base de datos= de Scopus mostró una distribución dispersa de artÃcul= os a lo largo de los años, sin una tendencia clara de crecimiento. Por último, en= Science Direct se observó un leve aumento en el núm= ero de publicaciones en los últimos años, con un máximo de 9 Ãtems en el año = 2023. Estos hallazgos se muestran en la Figura 1.
 =
Figura = 1=
Distribución de publicaciones en= el horizonte temporal que abarca a la prospección literaria
Fuente: elaboración propia.
 =
Los datos combinados de las tres ba= ses de datos evidenciaron una tendencia creciente en investigaciones sobre nuevas tecnologÃas de generación de energÃa solar fotovoltaica (ver Figura 1). = Entre 2019 y 2020, se registró el pico de publicaciones con un total de 40 artÃ= culos.
Procesos de búsqueda, filtración y s= elección de documentos
Una vez recopilada una base sólida= de documentos para el artÃculo, se aplicó la metodologÃa PRISMA para garant= izar transparencia, integridad y confiabilidad en la revisión de artÃculos. Es= te proceso se detalla en la Figura 2.
Se consultaron documentos en las ba= ses de datos de: IEEE Xplore, Sci= ence Direct y Scopus, utilizando criterios de búsqu= eda avanzada para abarcar publicaciones del periodo 2013-2023. Este proceso ini= cial resultó en la identificación de 307 artÃculos cientÃficos, cuyos metada= tos fueron organizados y gestionados mediante la aplicación Zotero, facilitand= o la gestión de referencias bibliográficas y asegurando una recopilación exha= ustiva de los documentos.
 = En la primera etapa de revisión (R1), se llevó a cabo una eliminación de duplicados para asegurar que cada artÃculo fuera único en el conjunto de = datos. Esto resultó en la eliminación de un artÃculo, dejando un total de 306 artÃculos. La siguiente etapa, R2, consistió en la exclusión de artÃcul= os de revisión que no se filtraron correctamente en la parte inicial de la búsq= ueda, teniendo finalmente con un sobrante de 291 artÃculos.
La etapa R3 se centró en una revis= ión temática mediante la herramienta de análisis bibliométrico VOSviewer, que permitió identificar y priorizar artÃculos que contenÃan palabras cl= ave esenciales para esta investigación, tales como “pho= tovoltaicâ€, “solarâ€, “efficiency†y “cellâ€. Se generó un mapa bibliométrico de co-ocurrencia, como se ilustra en la Figura 3, que sirvió como guÃa para la selección de artÃculos cuyo contenido se aline= aba con los temas de interés de esta revisión. Este análisis bibliométrico deta= llado resultó en la eliminación de 264 artÃculos que no cumplÃan con los crit= erios de relevancia temática, dejando 27 artÃculos para la etapa final de revisió= n.
Figura = 2=
MetodologÃa de revisión literar= ia aplicada
Fuente: elaboración propia basada =
en Page
et al., (2021)
 =
 = La revisión final, R4, consistió en una evaluación exhaustiva del contenido= de los artÃculos restantes para determinar su pertinencia y contribución signifi= cativa a los objetivos de la investigación. Durante esta fase, se eliminaron 15 artÃculos que no ofrecÃan información relevante o abordaban temas diverg= entes, resultando en un conjunto final 12 artÃculos que constituyen la base del análisis reportado en el presente artÃculo de revisión.
Figura = 3=
Mapa bibliométrico de interrelac= ión de palabras clave
Fuente: elaboración propia en el s=
oftware VOSviewer
Resultados
Vida útil de los paneles solares
En los últimos años, la tecnologÃa fotovoltaica ha experimentado un crecimi= ento significativo como sector de generación de energÃa eléctrica sostenible,= con un mercado en auge y con una tendencia a la baja en sus costos <= !--[if supportFields]> ADDIN ZOTERO_ITEM CSL_CITATION {"citationID":"r4pjmhlI","properties":{"= formattedCitation":"(Imran et\\uc0\\u160{}al., 2018)","plainCitation":"(Imran et&n= bsp;al., 2018)","noteIndex":0},"citationItems":[{"id&q= uot;:68,"uris":["http://zotero.org/users/14009069/items/U24T= SCBK"],"itemData":{"id":68,"type":"= article-journal","abstract":"Bifacial technology aims to boost power conversion efficiency of solar cells by effectively harvesting the albedo sunlight reflected from the earth, which = is typically uncollected in conventional solar cells. We propose an innovative three-terminal (3-T), four-junction perovskite/silicon bifacial tandem solar cell that leverages albedo to surpass the theoretical limits of the traditi= onal monofacial tandem structures. The cell stacks two identical series-connected double-junction perovskite/silicon tandem cells with a common (middle) term= inal such that the bottom tandem cell is integrated upside down to effectively harvest albedo. The albedo absorption in the bottom tandem cell linearly en= hances the short-circuit current of the double-tandem structure; hence, it overcom= es the classical current-matching limit in series-connected tandem solar cells= . We use self-consistent optical/device simulations to investigate the design optimizations of the cell and compare its performance with a conventional tandem structure. With an optimal design, the cell exhibits a remarkable efficiency of 30%–36% (bifacial gain of 10%–30%) for the albedo range of 15%–45%. The 3-T cell design works optimally for any range of albedo that= is in contrast with 2-T series-connected cell for which the optimal top cell thickness changes with the value of albedo. Moreover, the proposed cell is relatively less sensitive to the process variations in the perovskite layer thickness. With its remarkable efficiency, which increases linearly with albedo, the proposed cell can be highly attractive for emerging high-effici= ency photovoltaic applications.","container-title":"IEEE Jou= rnal of Photovoltaics","DOI":"10.1109/JPHOTOV.2018.2846519&q= uot;,"ISSN":"2156-3403","issue":"5"= ,"note":"event-title: IEEE Journal of Photovoltaics","page":"1222-1229","source&quo= t;:"IEEE Xplore","title":"High-Performance Bifacial Perovskite/Silicon Double-Tandem Solar Cell","volume":"8","author":[{"fami= ly":"Imran","given":"Hassan"},{"fam= ily":"Durrani","given":"Imranzeb"},{&quo= t;family":"Kamran","given":"Muhammad"},{= "family":"Abdolkader","given":"Tarek Mohammed"},{"family":"Faryad","given":&q= uot;Muhammad"},{"family":"Butt","given":= "Nauman Zafar"}],"issued":{"date-parts":[["2018"= ,9]]}}}],"schema":"https://github.com/citation-style-languag= e/schema/raw/master/csl-citation.json"} (Imran et al., = 2018). Las pruebas en ext= eriores son fundamentales para evaluar la confiabilidad y rendimiento de las nuevas tecnologÃas fotovoltaicas en diversos entornos ambientales, con diferentes temperaturas, humedad, lluvia, entre otros .El rendimiento de l= os módulos y células comerciales y de investigación y desarrollo se identif= ica mediante su eficiencia medida en condiciones de prueba estándar o STC, por= sus siglas en inglés (STC). No obstante, en condiciones, reales los sistemas f= otovoltaicos están expuestos a condiciones meteorológicas variables que pueden afectar= su rendimiento y vida útil.
En Ozden et al., se realizó una comp= aración entre distintas ubicaciones con paneles solares para evaluar su impacto. La primera ubicación, en Petten-PaÃses Bajos, cu= enta con un clima templado cálido, con veranos húmedos y cálidos. Los segundos pa= neles solares se encuentran en la azotea del Departamento de FÃsica del Campus de la Universidad Técnica de M= edio Oriente, en TurquÃa. Este entorno se caracteriza por su vegetación artificial y la distribución de edificios, lo que lo diferencia de un tÃpico centro urban= o. En ambas ubicaciones instalaron prototipos nuevos de mini= -módulos, que fueron comparados tanto entre sà como con un módulo comercial que tie= ne alto rendimiento (HIT-HD: Heterojunction with Intrinsic Thin Layer-Honeycomb Design) y su eficiencia celular fue similar a la efic= iencia celular de los mini-módulos.
Los resultados a los que se llegó en Ozden et al.,= indican que cuando = los dÃas tienen una cantidad similar de radiación solar, los módulos exhiben un comportamiento muy parecido. Es importante destacar que el rendimiento del módulo HIT convencional fue inferior al del mini-mód= ulo IBC en el estudio conducido, como se muestra en la Figura 4<= /span>.
Figura 4=
Radiación solar y rendimiento de los módulos en un cielo despejado
Fuente: elaboración propia basada e=
n Ozden et al., .
Seguido a esto, en Ozden et al., se concluye que los = mini-módulos funcionan mejor que el módulo HIT en c= uanto a potencia de la placa del módulo. Sin embargo, cuando se considera los valo= res de potencia máxima para los módulos derivados de datos exteriores, se obs= erva que los módulos HIT y los mini-módulos tenÃan relaciones de rendimiento similares. Las eficiencias exteriores promedio de= un año de operación son 19.05%, 18.36% y 15.83% para IBC (ECN), IBC (GUNAM) = y HIT-HD (GUNAM), respectivamente. Es importante menc= ionar que el módulo HIT funcionó por debajo de la clasificación nominal, sin e= mbargo, se mantuvo estable durante el año de operación analizado.
Finalmente, lo que rescatan Ozden et al.,  ADDIN ZOTERO_ITEM CSL_CITATION {"citationID":"iMLzO0bz","properties":{"= formattedCitation":"(2020a)","plainCitation":"= ;(2020a)","noteIndex":0},"citationItems":[{"i= d":411,"uris":["http://zotero.org/users/14009069/items/= SZX2PP9G"],"itemData":{"id":411,"type":&= quot;article-journal","abstract":"To a certain extent, the photovoltaics industry is well developed, and the performance and expected yield of standard photovoltaic modules are well documented and researched. However, newer more efficient photovoltaic cell = and module technologies are being developed all over the world. Outdoor testing= of new photovoltaic technologies is very important to understand and validate their reliability and performance under different environmental conditions.= For the first time, one year of monitored performance data is presented and analyzed for two high efficiencies interdigitated back contact prototype mini-modules at different locations, having different climates. The test results of a commercial heterojunction with intrinsic thin-layer†module = are also presented for comparison. The results showed that the two mini-modules remained stable for the duration of the test period, and showed no signs of degradation. They did perform significantly differently due to the different climatic conditions. The results also show that the combination of ambient temperature difference together with relative humidity impacts the performa= nce of the modules. Calculated outdoor yearly efficiencies are 19.05% and 18.36% for two integrated back contact mini-modules tested in Petten-Netherland and Ankara-Turkey, respectively. The temperature coefficients of the modules are also calculated and compared with two commercial photovoltaic modules.","container-title":"Renewable Energy",&qu= ot;DOI":"10.1016/j.renene.2019.06.045","ISSN":&quo= t;0960-1481","journalAbbreviation":"Renewable Energy","page":"557-568","title":"O= ne-year performance evaluation of two newly developed back-contact solar modules in= two different climates","volume":"145","author":[{&quo= t;family":"Ozden","given":"Talat"},{&quo= t;family":"Carr","given":"Anna J."},{"family":"Geerligs","given":"= Bart (L.J.)"},{"family":"Turan","given":"= ;Rasit"},{"family":"Akinoglu","given":&q= uot;Bulent G."}],"issued":{"date-parts":[["2020",1,= 1]]}},"label":"page","suppress-author":true}]= ,"schema":"https://github.com/citation-style-language/schema= /raw/master/csl-citation.json"} (2020a) es que entre los tr= es módulos analizados y medidos, HIT parece tener la menor pérdida de energÃ= a a valores de alta temperatura. Teniendo en cuenta esto, se comprueba que la temperatura es un factor importante al considerar instalar paneles fotovoltaicos en dife= rentes entornos.
Eficiencias de células y paneles fotovoltaicos
En la última década, se ha encontrado que la investigación y fusión de inn= ovadores materiales ha posibilitado el avance y competitividad de las células solar= es. Destacan las células Tandem, células solares orgánicas, células de pelÃcula delgada CIGS, células con heterounión intrÃnseca de capa fina y las células de perovskita. Estas tecnologÃas h= an experimentado mejoras continuas en su eficiencia, alcanzando valores prometedores que impulsan significativamente el progreso de la eficiencia fotovoltaica.
Células de perovskita
La perovskita es un mineral formado a partir del compuesto de titanio de calci= o y el óxido de titanio de calcio, el cual ha sido usado intensivamente en la última década para la fabricación de células solares, logrando conseguir mejorar su eficiencia del 3.8% al 25.7% . El material más e= studiado para la creación de este tipo de células es el haluro de plomo de metilamonio. Este material presenta la ventaja de con= tar con un intervalo de energÃa prohibida ajustable y un coeficiente de absorc= ión considerablemente alto .
La primera de la célula solar de perovskita, desarrollada en 2009, logró una eficiencia del 3.8% utilizando compuestos hÃbridos orgánicos-inorgánicos= . Posteriormente, se introdujeron modificaciones, como la incorporación de nanopartÃculas de M= APbI3, que aumentaron la eficiencia al 9.7%. Más adelante, el dopaje de cloruro d= e metilendiamina junto con una arquitectura de doble ha= luro permitió alcanzar eficiencias de hasta el 23.7% .
El avance más reciente en la eficiencia de las células solares de perovskita muestra un registro del 25.7% . Aunque la perovski= ta ha experimentado un rápido avance en términos de eficiencia en la última dÃ= ©cada, sufre de una baja estabilidad frente a las células comerciales.
Células solares multi-unión (TSCs= )
Las células solares multi-unión fabricadas con si= licio cristalino de bajo costo ofrecen la posibilidad de alcanzar eficiencias superiores al 30%. En White et al., se examina una cél= ula solar de bajo costo elaborada a partir de una celda inferior de c-Si de alta eficiencia y una ceceada superior de pelÃcula delgada desarrollada en materiales de bajo costo. La unión de estos dos distintos materiales llega= a ser interesante debido a que el material superior puede ser reemplazado por celdas con fuertes absorciones y mala calidad atómica electrónica que es = tÃpico de materiales semiconductores abundantes en el planeta tierra que últimame= nte se han estado investigando para su aplicación como materiales fotovoltaicos alternativos. Al unir estos materiales con una parte inferior de celda de silicio de alta eficiencia se llega a un material equilibrado en costos y c= on una eficiencia superior a otros tipos de celdas fotovoltaicas.
En Imran et al., se desarrolla una tecnologÃa bifacial a partir de una doble tándem que tiene como objetivo aumentar la eficiencia de las células solares a partir de una mejora en la recolección del albedo de la luz solar que es reflejada por la tierra, lo = que usualmente no es aprovechado por las células solares convencionales, tal c= omo se observa en la Figura 5<= /span>. La célula de dobl= e tándem utiliza una estructura de celda en tándem que apila múltiples uniones p-n= con materiales de mayor banda prohibida en la parte superior con el objetivo de reducir al máximo las pérdidas térmicas debido a la fotoabsorción del espectro solar. Como se menciona en White et al., , la absorción de l= uz bifacial es una técnica efectiva para mejorar la eficiencia mediante la recolección de la parte reflejada de la luz solar.
Figura 5=
TecnologÃa de paneles solares bifaciales
Fuente:
Elaboración propia.
Tanto en White et al., como en Imran et al., (2018b) con distintos métodos y tecnolog= Ãas de multiuniones se logran eficiencias superiores al 30%.=  Los resultad= os de la investigación de T.P. White e= t al., 2014b demostraron que es posible obtener eficiencias superiores al 30% utilizando absorbentes de pelÃcula delgada en la parte superior con longit= udes de difusión del portador en el orden de los 100nm y eficiencia de luminisc= encia de 10−5. Por otra parte, en Imran et al., se menciona que con= una célula solar multi-unión de perovskita/silici= o con su subcélulas HIT unidas a través de un oxido co= nductor transparente intermedio, se pudo obtener una eficiencia cercana y constante= de 33.1% para un amplio rango de espesores de silicio con un albedo terrestre promedio del 30%. Por tal motivo, la célula analizada en Imran et al., muestra un potencial prometedor para ubicaciones que tienen valores de albedo de modestos a alto= s. Estos hallazgos coinciden con los datos presentados por Green et al., donde se destaca la= célula solar TSCs con una eficiencia promedio de 31.3 = % ± 0.3%.
Células Orgánicas
En
las últimas décadas, las células solares orgánicas han evolucionado des=
de las
mezclas de elementos donantes y aceptores de electrones basados principalme=
nte
en fullereno hacia nuevas tecnolo=
gÃas no
basadas en moléculas de carbono, logrando eficiencias de conversión super=
iores
al 13 % . Aunque estas célu=
las
alcanzan altas eficiencias en áreas de dispositivo por debajo de 0.1 <=
![if !msEquation]>
Celdas solares de pelÃcula delgada CIGS
Las células solares de pelÃcula delgada se producen mediante la deposición d= e una o varias capas delgadas sobre un sustrato, como vidrio, plástico o metal. De= ntro de esta categorÃa, las celdas fotovoltaicas de pelÃcula delgada CIGS (Figura 6) se fabrican aplica= ndo capas muy delgadas de materiales semiconductores en un sustrato como vidrio, plástico o metal . Estas celdas utili= zan un absorbente compuesto de cobre, indio, galio y seleniuro, justificando su designación mediante el uso de sus siglas en inglés (CIGS).=
A lo largo del tiempo, las células solares CIGS han experimentado un notable avance en eficiencia y rendimiento. Inicialmente, la eficiencia de conversi= ón de energÃa solar de la tecnologÃa de pelÃcula delgada era inferior a la = de las células de silicio policristalino (p-Si) No obstante, en años recientes, los avances en la ciencia de materiales han permitido mejoras significativas en la eficiencia de las células solares CIGS.=
En
2014, laboratorios como el Zentrum für Sonnenenergie-und
La incorporación del potasio en las células CIGS ha llevado al desarrollo de nuevas células solares con una eficiencia relativamente alta, gracias al tratamiento KF PDT aplicado a los absorbentes coevapor= ados . Este tratamiento i= mplica la aplicación de fluoruro de potasio (KF) después de la deposición del m= aterial absorbente de Cu (In,Ga)Se2 (CIGS) en las célu= las solares de pelÃcula delgada.
Los avances recientes han elevado las eficiencias de las células solares CIGS = por encima del 20%. Un ejemplo es la célula evaluada por el Instituto Nacional= de Ciencia y TecnologÃa Industrial Avanzada, que estableció un nuevo récord mundial con una eficiencia del 23,35% para células policristalinas de pelÃ= cula delgada de 1 cm2 de tamaño = . Estos avances indi= can una mejora continua en la eficiencia de este tipo de células, lo que sugiere q= ue en un futuro próximo podrÃan superar a las células de silicio que dominan el mercado actualmente.
Figura 6=
Célula solar CIGS
Fuente:
elaboración propia basada en
 Za’abar e=
t al.,
.
Células solares con heterojuntura solares intrÃnsecas = de capa fina (HIT)
La heterojuntura con células solares intrÃnsecas de ca= pa fina (HIT) fue desarrollada por Sanyo en 1994; este tipo de célula solar consis= te en silicio amorfo ultrafino sobre capas absorbentes de silicio cristalino, con ello ofrece una fabricación de bajo costo dentro de las células solares y= una alta eficiencia en comparación con las células solares de silicio cristal= ino con uniones p-n difusas . Las células solar= es HIT se caracterizan por su eficiencia dependiente de la heter= ointerfaz a-Si:H/c-Si y por su sencillo procedimiento de fabricación, puesto que no requieren procedimientos de al= ta temperatura.
           En la última déca=
da, las células
solares de silicio han experimentado un notable avance, elevando la eficien=
cia
desde el 21.2% hasta el 26.8% . Este último hito
tecnológico se atribuye a la empresa LONGi.
El avance de la nanoestructura de= Si de la unión p-n con una capa superficial de óxido conductor transparente mej= ora tanto las propiedades fotónicas como la calidad de la interfaz, mejorando significativamente las propiedades eléctricas o la eficiencia de conversiÃ= ³n fotónica. La nanoestructura isoelectrónica en la heterounión de silicio para la fabricación de células solares de área amplia es prom= etedora para la progresión de la eficiencia debido a su estructura compleja o menos costosa (HIT) , por lo cual se esp= era que en los próximos años esta tecnologÃa presente mejoras significativas en = cuanto a eficiencia se refiere.
En la Figura 7, construida a parti= r de los hallazgos de Green et al., , se presenta una recopilación de las mejoras en eficiencia en un periodo de 30 años de dis= tintas células fotovoltaicas, incluyendo muchas de las analizadas en este artÃcu= lo de revisión.
Figura 7=
Mayores eficiencias alcanzadas para células fotovoltaicas
Fuente:
elaboración propia basada en Green et al., .
Factores limitantes
Esta sección analiza los factores que han obstaculizado la implementación de c= élulas solares para una producción a gran escala teniendo en cuenta factores como rentabilidad y confiabilidad.
A lo largo de los años se ha evidenciado que la introducción de nuevas tecnologÃas trae consigo costos iniciales elevados, y las energÃas renova= bles no convencionales no son una excepción. Por lo tanto, es crucial establecer polÃticas que fomenten la consolidación y la adopción de las energÃas renovables para que estas logren establecerse y compitan con las energÃas convencionales de la actualidad. Los mecanismos más comunes que se han implementado durante esta trayectoria han sido: subsidios a la inversión, subsidios a la tarifa y Sistema de Cuota a las Renovables (RPS1) . Los dos primeros inicialmente fueron implementados en Europa, permitiendo la masificación de los sistemas eóli= cos y solares fotovoltaicos en la primera década del siglo XXI a un costo elevad= o, pero con respaldado polÃtico.
Las polÃticas y regulaciones desempeñan un papel fundamental en el impulso de= las energÃas renovables, dado que esta tecnologÃa, en su fase inicial, conlle= va costos de inversión significativos. Estos costos se ven agravados por los esfuerzos destinados a emplear materiales de mayor calidad para alcanzar una mayor eficiencia en las células solares. En Sudamérica, por ejemplo, las polÃticas y regulaciones en materia de energÃas renovables varÃan según= el paÃs, pero en general, se observa un creciente interés en promover su ado= pción y desarrollo. De acuerdo con Chabla-Auqui et al= ., , Argentina ha imple= mentado iniciativas como el Proyecto de EnergÃa Renovable en Mercados Rurales y le= yes que permiten la generación distribuida (GD) desde 2017. Bolivia cuenta con= una ley que promueve el uso de energÃas renovables, aunque se enfrenta a desaf= Ãos en su implementación. En Brasil, se han establecido resoluciones que regul= an el acceso de sistemas de GD a la red eléctrica, impulsando el crecimiento de = la adopción de sistemas fotovoltaicos. Chile ha promulgado leyes que fomentan= la generación de energÃa renovable y el acceso a la red eléctrica. Colombia= ha avanzado en la integración de fuentes de energÃa renovable en su marco regulatorio, mientras que Ecuador ha establecido regulaciones que promueven= la GD (lograda principalmente con sistemas fotovoltaicos) y el autoconsumo. Paraguay, Perú, Uruguay y Venezuela también han tomado medidas para promo= ver el uso de energÃas renovables, aunque enfrentan desafÃos en su implementaciÃ= ³n debido a factores económicos y polÃticos .
Por tal motivo, para alcanzar una implementación exitosa de la energÃa solar fotovoltaica, es fundamental que la polÃtica, rentabilidad, la confiabilid= ad y la eficiencia se fusionen de manera sinérgica . En este contexto, = al analizar la eficiencia de las células solares, es crucial considerar su im= pacto directo en la rentabilidad del sistema, ya que se puede lograr conseguir una célula solar bastante eficiente, pero con materiales demasiado costosos que eviten su circulación comercial.
Además, los materiales semiconductores III-V, como las células solares de arseniur= o de galio (GaAs), han demostrado eficiencias notabl= es, incluso superando a las células de silicio. Sin embargo, el alto costo de fabricación limita su aplicación a la exploración espacial . Para reducir el costo de producción de = las células solares III-V, el Laboratorio Nacional de EnergÃa Renovable ha propuesto un nuevo enfoque llamado "germanio sobre nada" <= /span>. Este nuevo concepto implica que las células de GaAs se cultiven en= una fina capa de germanio que se deposita preliminarmente en un sustrato de germanio reutilizable, sin embargo, los resultados no fueron los mejores y = se continua en procesos de mejora.
Sumado al alto costo de producción de las nuevas tecnologÃas de células solares, existen barras técnicas, las que necesitan ser superadas para lograr una producción a gran escala. Estas barreras técnicas se deben a la falta de estudios de estabilidad de la célula solar para garantizar que funcionen incluso después de la sombra parcial, el almacenamiento en la oscuridad y = la fatiga mecánica .
DesafÃos y Futuro de la TecnologÃa Fotovoltaica
La generación eléctrica mediante tecnologÃas renovables no convencionales c= omo la solar fotovoltaica es variable y depende del clima diario, a diferencia de = las tecnologÃas tradicionales como la hidroeléctrica o térmica (carbón, diÃ= ©sel y vapor). Esto implica que la energ= Ãa solar no puede proveer electricidad de manera continua, lo que resalta la necesidad de complementarla con otras tecnologÃas y buscar sistemas de almacenamiento, aunque estos últimos pueden resultar costosos .
Un ejemplo de este complemento de tecnologÃas son los colectores hÃbridos fotovoltaicos/ térmicos (PVT) que convierten la radiación solar simultán= eamente en energÃa térmica y eléctrica con lo cual es posible obtener una tasa de conversión solar más alta por unidad de superficie . Los colectores PVT constan de una placa delgada hecha de un material altamente conductor, sobre la cual se encuentr= an las células fotovoltaicas insertadas por laminación. En esta fase se abso= rbe radiación solar y se convierte parcialmente en electricidad. De forma simultánea se permite la circulación de un fluido (normalmente aire o agu= a) contra la placa absorbente, este fluido es capaz de eliminar exceso de calo= r de las células fotovoltaicas, reduciendo su temperatura y mejorando de manera significativa su eficiencia eléctrica. Además de esto, es posible dispone= r de calor de baja calidad para usos apropiados .
Este tipo de tecnologÃa se ha venido estudiando en los últimos años, con algu= nos cambios y mejoras en su desempeño. En Evola &a= mp; Marletta, se plantea un proto= tipo de colector PVT hÃbrido refrigerado por agua. Aplicando la primera y segunda = Ley de la Termodinámica son capaces de modelar térmicamente el comportamiento= del sistema PVT. Lo que se concluye inicialmente en el artÃculo es que el cole= ctor PVT al operar a temperaturas lo más bajas posible, permite obtener altas eficiencias energéticas generales. Sin embargo, dado que se basan únicame= nte en la Primera Ley de la Termodinámica, estos resultados no hacen referencia a= la calidad termodinámica real de las diferentes formas de energÃa producida = por el colector PVT (eléctrica y térmica).
En la Figura 8 se muestra el efect= o de la temperatura de entrada de agua en la eficiencia energética promedio anual simulada en el artÃculo. Se observa dos tendencias diferentes para la eficiencia energética eléctrica y térmica: mientras que la energÃa elé= ctrica es favorecida por temperaturas bajas de entrada de agua, la segunda disminuye a temperaturas de entrada bajas. Una tercera tendencia se observa en la Figura 8 cuando se combinan = las dos gráficas anteriores obteniendo un rendimiento óptimo al trabajar en el ra= ngo de 30°C a 35°C.
Figura 8=
Eficiencia energética promedio anual del colector PVT en func= ión de la temperatura del agua de entrada
Fuente: elaboración propia basada e=
n Evola & Marletta,
Si
bien es cierto que al integrar la energÃa fotovoltaica con otras tecnologÃ=
as se
logra aumentar la eficiencia del sistema, esto no serÃa lo más óptimo, y=
a que
dichos complementos implican costos significativos y nuevos factores a
considerar para optimizar al máximo la generación de energÃa, creando nu=
evos
costos de inversión. Por lo tanto, para mejorar la eficiencia de las
tecnologÃas solares, la opción más viable deberÃa enfocarse en estudios=
que
busquen directamente maximizar el rendimiento de las células solares con
materiales innovadores y alta estabilidad frente a diversas variaciones con=
la
finalidad de que puedan establecerse comercialmente.
Discusión de
Resultados
Después de analizar la evolución tecnológica de la generación solar fotovoltaica= en la última década y seleccionar los estudios más relevantes mediante la meto= dologÃa PRISMA, se destaca una clara tendencia hacia la mejora de la eficiencia y la reducción de costos de las células solares. Aunque se han identificado tecnologÃas prometedoras, como las células solares m= ulti-unión, que han alcanzado eficiencias superiores al 30%, y las células de perovski= ta, que muestran avances significativos en eficiencia, aún existen barreras limitantes, como la estabilidad de las células y los altos costos de los materiales. Aunque las células solares multi-unión utilizan materiales de bajo costo, su proceso de fabricación es complejo y representa un desafÃo para su implementación a gran escala. Estos hallazg= os resaltan la necesidad de continuar investigando para superar estas limitaci= ones y aprovechar todo el potencial de la energÃa solar fotovoltaica.
          Â
La revisión de la literatura destaca la importancia de la temperatura en la eficiencia de las células solares, teniendo eficiencias de conversión de energÃa mayores a bajas temperaturas. Por otra parte, al mezclar células solares con otros tipos de tecnologÃas y formar sistemas hÃbridos, las temperaturas bajas ya no son la mejor opción debido a que hay que consider= ar nuevos factores para optimizar al máximo el sistema hÃbrido.
En cuanto a resultados obtenido a gran escala, la revisión resalta la investigación adicional en temas como aplicación de nuevas tecnologÃas a= gran escala, los impactos ambientales de la implementación de estas nuevas tecnologÃas y la vida útil de las nuevas células solares.<= /p>
La revisión l=
iteraria
reportada en este artÃculo muestra la evolución tecnológica de la genera=
ción
solar fotovoltaica con un enfoque principal a las células solares no
convencionales de la última década, con el objetivo principal de mostrar
prometedoras alternativas que permitan superar la eficiencia del silicio
cristalino, el cual está alcanzando rápidamente sus lÃmites prácticos y
teóricos. Este estudio ofrece una visión integral que puede servir de
referencia tanto para investigadores del mismo campo como para aquellos de
disciplinas afines.
Para los
investigadores en el campo de la energÃa fotovoltaica, los hallazgos de es=
ta
investigación proporcionan un compendio de las tecnologÃas más prometedo=
ras,
destacándolas células de multi-unión, de per=
ovskita,
células solares orgánicas, celdas de heterounión de
pelÃcula delgada, entre otras. Todas estas células han logrado alcanzar,
incluso superar, la eficiencia de las células solares convencionales. Sin
embargo, diferentes barreras de confiabilidad y rentabilidad han impedido su
producción a escala.
Se evidencia q=
ue las
células solares multi-unión destacan como el =
caso más
prometedor en términos de eficiencia en la última década, superando el u=
mbral
del 30%. Estas células, aparte de aprovechar materiales abundantes en el
universo para su construcción, también ofrecen una rentabilidad más acep=
table
en comparación con tecnologÃas como las células de =
GaAs,
que requieren materiales costosos, limitando su aplicación a niveles como =
la
exploración espacial. Sin embargo, a pesar de su eficiencia y el uso de ma=
teriales
económicos, las células solares multi-unión =
enfrentan
desafÃos relacionados con la estabilidad y la optimización de procesos pa=
ra su
producción y comercialización a gran escala. Este hallazgo subraya la
importancia de seguir explorando nuevos materiales y técnicas de fabricaci=
ón
que puedan integrarse en tecnologÃas fotovoltaicas avanzadas; un aspecto de
interés para investigadores de otros campos, como la ingenierÃa de materi=
ales y
ambiental.
Referente a los
factores limitantes y desafÃos futuros se observa que la alta variabilidad=
del
recurso solar supondrÃa la necesidad de contar con sistemas complementarios
para las horas de ausencia solar, sin embargo la coordinación entre dos
tecnologÃas supone mayores factores de control y un mayor costo de inversi=
ón
tal como se analizó el caso del colector PVT, por lo que una mejora de
eficiencia supondrÃa sacrificar el criterio de rentabilidad, por esta razÃ=
³n, se
concluye que para tener una verdadera evolución tecnológica de generació=
n solar
fotovoltaica se deberÃa seguir realizando estudios para encontrar células
solares de bajo costo, fácil fabricación y con una alta estabilidad que
aseguren su confiabilidad.
Además, este =
estudio
también identifica ciertas limitaciones. Entre ellas, la rápida evolució=
n de
las tecnologÃas fotovoltaicas lo que significa que las mejoras continuas p=
ueden
hacer que algunas conclusiones se vuelvan rápidamente obsoletas. Además, =
muchos
de los estudios revisados se encuentran todavÃa en etapas experimentales o=
de
laboratorio, lo que podrÃa no reflejar completamente su rendimiento en
aplicaciones comerciales.
Los resultados=
de este
estudio reflejan una tendencia alentadora: los precios de la tecnologÃa
fotovoltaica están disminuyendo mientras su eficiencia aumenta. Este panor=
ama
augura una expansión de los sistemas fotovoltaicos a nivel nacional y regi=
onal,
marcando un paso hacia una matriz energética más sostenible y económica.=
El
acceso generalizado a la energÃa solar como fuente limpia y renovable se ve
facilitado por estas mejoras tecnológicas. Con una creciente disponibilida=
d de
opciones rentables y eficientes, se estimula una mayor adopción de la ener=
gÃa
solar en diversos ámbitos, desde el residencial hasta el industrial. Este
impulso contribuye significativamente al despliegue generalizado de sistemas
fotovoltaicos en la región.
Los autores agradecen a la Universidad de
Cuenca por facilitar el acceso al Laboratorio de Micro-Red, Facultad de
IngenierÃa, en cuyas instalaciones fue realizada la presente investigació=
n.
Este trabajo forma parte de las actividades investigativas del proyecto
titulado «Promoviendo la sostenibilidad energética: Transferencia de
conocimientos en generación solar y micromovilidad
eléctrica dirigida a la población infantil y adolescente de la parroquia
Cumbe», ganador de la XI Convocatoria de proyectos de servicio a la comuni=
dad
organizado por la Dirección de Vinculación con la Sociedad de la Universi=
dad de
Cuenca, Ecuador, bajo la dirección del autor Danny Ochoa Correa.
Los autores declaran la contribución y
participación equitativa de roles de autorÃa para esta publicación.
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