Las células solares esféricas utilizan luz desde muchas direcciones

tecnología solar

28 de diciembre de 2025 10:21
Dennis L.

Predominan los módulos planos, ya que a menudo se espera que la luz provenga del frente. En las ciudades, sin embargo, mucha energía llega en forma de luz difusa a través de las nubes, el cristal y las fachadas. Las microcélulas solares esféricas con un diámetro de aproximadamente 1 mm prometen una radiación más uniforme y sin mecánica. Si esto da como resultado módulos fotovoltaicos robustos para entornos reales es una cuestión de medición.

En la energía fotovoltaica, la geometría de la superficie fotoactiva determina cuánta energía eléctrica se genera a partir de la misma potencia de irradiación. Las células solares clásicas tienen una estructura plana porque la unión pn, el contacto y la laminación se han optimizado durante décadas para obleas planas. Sin embargo, en entornos reales, la radiación solar rara vez llega a un módulo como un haz vertical ideal, sino más bien como una mezcla de radiación directa, reflejos de las fachadas y del suelo y luz difusa de las nubes. Para compensar las fluctuaciones en el rendimiento, los módulos se alinean, se colocan con poca sombra o se combinan con sistemas de seguimiento, lo que requiere materiales y mantenimiento. En estas condiciones límite, la eficiencia también se convierte en una cuestión de aplicación, porque los valores medidos en condiciones estándar no reflejan automáticamente el rendimiento anual. Por lo tanto, en el campo de la energía fotovoltaica la atención se centra en conceptos que aprovechan la luz desde muchas direcciones y abren así áreas arquitectónicas que son difíciles de utilizar con paneles planos.

Precisamente aquí es donde entra en juego Sphelar. Detrás del nombre se esconden células solares esféricas, cuya superficie sensible a la luz no sólo favorece una dirección, sino que, en principio, utiliza una superficie esférica completa. Una única bola de silicio en escala milimétrica debe prepararse eléctricamente de tal manera que los portadores de carga puedan disiparse a través de electrodos definidos sin obstaculizar gravemente la absorción de luz. El dopado de la geometría curva, la pasivación de la superficie y el contacto estable en un material de encapsulado transparente son técnicamente exigentes. En la fabricación, también surge la pregunta de cómo producir esferas uniformes con una estructura cristalina controlada cuando la fusión y solidificación bajo la gravedad tienden a deformarse y la convección. Un enfoque utiliza la microgravedad a corto plazo para formar gotas solidificadas de la manera más simétrica posible antes de que los pasos posteriores generen la función eléctrica. Dado que el material básico, el silicio, es a la vez un semiconductor y el factor de coste dominante para muchas células, el atractivo del concepto también depende de cuánta área activa por masa y de qué tan estables se mantengan los parámetros a largo plazo.

La luz rara vez llega directamente

Para una evaluación justa, la irradiación debe considerarse como una cantidad vectorial, porque la distribución angular, el sombreado y la reflexión múltiple cambian el equilibrio de los fotones a lo largo del día. Las celdas esféricas abordan esto proporcionando una geometría receptora tridimensional que no requiere una cara frontal definida cuando cambia la posición del sol. Una descripción técnica de Sphelar como concepto de celda microesférica resume información sobre el tamaño de la celda, la geometría del electrodo y los objetivos de la aplicación y enfatiza la menor dependencia del ángulo de incidencia. Físicamente, sigue siendo crucial qué parte de la superficie esférica es realmente eléctricamente activa y con qué fuerza las superficies de contacto limitan el uso óptico. En comparación con las células planas, lo que cuenta no es toda la superficie esférica, sino más bien el área proyectada, ya que limita la potencia máxima de radiación captada. Cuando se incrustan esferas en módulos fotovoltaicos, el equilibrio cambia debido a los huecos, el material del encapsulado y los reflejos internos. En condiciones climáticas cambiantes, la ventaja aún puede surgir de un mejor uso de los componentes dispersos, que solo pueden cuantificarse mediante mediciones de rendimiento en espectros y ángulos reales.

De la cuenta al circuito

El núcleo de la idea no es sólo la esfera, sino la conexión eléctrica de muchos microelementos. Dado que una sola celda de escala milimétrica solo entrega un voltaje limitado, se conectan varias esferas en serie para lograr voltajes en el rango de voltios, que son relevantes para aplicaciones como sensores o procesos electroquímicos. Los datos de medición de células esféricas conectadas en serie se describen en un estudio de acceso abierto sobre células esféricas de silicio conectadas en serie bajo iluminación definida, incluidos parámetros geométricos en el rango de centímetros cuadrados y voltajes de alrededor de 1,8 V a 2,3 V para diferentes conexiones. Esta información es importante porque muestra que la geometría esférica sigue siendo comparable a mediciones convencionales como la tensión de circuito abierto y la corriente de cortocircuito, incluso si el campo óptico es más complejo. Al mismo tiempo, se está centrando la atención en la producción, porque los perfiles de dopado, la pasivación de superficies y la metalización por contacto deben poder reproducirse en superficies curvas, para que la dispersión entre las células no domine toda la cadena.

• Dopaje homogéneo de la esfera de silicio sin grietas ni zonas marginales
• Baja resistencia en serie a pesar de pequeñas áreas de contacto y cableado largo
• Material para macetas ópticamente transparente que limita el envejecimiento causado por la radiación UV.
• Disipación de calor con alta irradiancia sin puntos calientes locales
• Control de calidad de bolas apenas visibles en el módulo

Además del aspecto eléctrico, la óptica determina si el enfoque convence en el campo. En la práctica, las esferas suelen estar incrustadas en material transparente, creando interfaces donde la luz se refracta o refleja. Al mismo tiempo, una gestión selectiva de la luz puede aumentar la disponibilidad de fotones, por ejemplo mediante reflectores difusos detrás de la zona activa. El estudio mencionado describe un aumento mensurable de la fotocorriente cuando se utilizan materiales reflectantes, lo que enfatiza el acoplamiento entre la geometría y el entorno. Los informes de desarrollo también analizan la microgravedad como una herramienta para producir esferas uniformes porque reduce los flujos convectivos durante períodos cortos de ingravidez y, por lo tanto, mejora la simetría de las gotas que se solidifican. La posibilidad de escalar industrialmente estos procesos depende de los tiempos de ciclo, los requisitos de energía y las tasas de rechazo y, en última instancia, también de los costes por vatio y la estabilidad del contacto durante muchos ciclos de temperatura. Ésta es una de las incertidumbres centrales que no pueden derivarse únicamente de la forma.

Dónde tiene sentido construir la integración

La mayor ventaja del concepto no reside tanto en la sustitución de los módulos de tejado existentes, sino en aplicaciones en las que los paneles planos sólo funcionan de forma limitada. En la integración de edificios, además del rendimiento, la transmisión de luz, el diseño y la seguridad suelen desempeñar un papel importante, ya que las superficies de vidrio deben proporcionar luz natural y energía al mismo tiempo. En el soporte se pueden disponer células esféricas a cierta distancia, de modo que una parte de la luz visible siga atravesando el componente y la superficie eléctrica siga distribuida. Estos enfoques son parte de un entorno técnico que también incluye otros conceptos transparentes, como células solares transparentes en ventanas, donde la transparencia y la eficiencia deben sopesarse entre sí. En comparación, la geometría esférica centra la atención en la robustez angular y el uso de componentes dispersores, que pueden ser especialmente relevantes en fachadas, patios o zonas con frecuentes nubosidades. Lo que es crucial es la uniformidad en el rendimiento de los módulos a lo largo del día y en qué medida la contaminación, la condensación o la tensión mecánica en el material compuesto influyen en el rendimiento a largo plazo.

Lo que la próxima serie de mediciones tendrá que aclarar

Si Sphelar forma un nicho o un estándar en el amplio sector del suministro de energía se determinará mediante pruebas de campo comparables y escenarios de referencia claros. Para los módulos planos, los valores característicos se determinan normalmente en condiciones de prueba estándar con una distribución espectral e irradiancia definidas, mientras que para las estructuras tridimensionales también debería estandarizarse la distribución angular de la luz y la interacción con el entorno. Por lo tanto, tendría sentido tener series de mediciones que comparen el rendimiento diario, los coeficientes de temperatura, el comportamiento de sombreado y la degradación en la misma configuración, por ejemplo para fachadas curvas o superficies de vidrio semitransparentes. Al mismo tiempo, sigue sin respuesta una pregunta sistémica: si una bola de silicio requiere menos material por área activa, el cuello de botella pasa del silicio al contacto y el ensamblaje, lo que puede dar lugar a diferentes estructuras de costes. El debate encaja con las tendencias que se resumen en la energía fotovoltaica funcional, porque el diseño, la función de los componentes y el rendimiento eléctrico se optimizan juntos. El papel que desempeñe Sphelar en este sentido depende en última instancia de si las ventajas del laboratorio se traducen en módulos fotovoltaicos robustos con una esperanza de vida clara.

Scientific Reports, un dispositivo solar en miniatura para la división general del agua que consta de células solares de silicio esféricas conectadas en serie; doi:10.1038/srep24633