Las células solares esféricas utilizan luz desde muchas direcciones

tecnología solar

28 de diciembre de 2025 10.21 am
Dennis L.

Predominan los módulos planos, ya que a menudo se espera que la luz provenga del frente. En las ciudades, sin embargo, gran parte de la energía llega en forma de luz difundida 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. Que esto se traduzca en 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 radiación. Las células solares clásicas tienen una estructura plana porque la unión pn, los contactos 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 dispersada por las nubes. Para compensar las fluctuaciones de rendimiento, los módulos se alinean, se colocan con poca sombra o se combinan con sistemas de seguimiento, que requieren materiales y mantenimiento. En estas condiciones limitantes, 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 de este 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 esfera de silicio de escala milimétrica debe prepararse eléctricamente de 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 suponen un desafío técnico. En la fabricación, también surge la pregunta de cómo producir esferas uniformes con una estructura cristalina controlada cuando la fusión y la solidificación por gravedad tienden a deformarse y a la convección. Un enfoque utiliza la microgravedad a corto plazo para formar gotas de solidificación de la manera más simétrica posible antes de que los pasos posteriores generen la función eléctrica. Dado que el material base, el silicio, es a la vez un semiconductor y el principal generador de costos para muchas células, el atractivo del concepto también depende de cuánta área activa por masa y qué tan estables sean los parámetros a largo plazo.

La luz rara vez llega directamente

Para una correcta evaluación, la irradiación debe considerarse como una cantidad vectorial, porque la distribución angular, el sombreado y la reflexión múltiple modifican el equilibrio de los fotones durante el día. Las células esféricas resuelven este problema 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 la 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. Desde un punto de vista físico, 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 incorporan esferas a módulos fotovoltaicos, el equilibrio cambia debido a los espacios vacíos, el material de revestimiento y los reflejos internos. En condiciones climáticas variables, el beneficio 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 proporciona solo un voltaje limitado, se conectan varias esferas en serie para obtener voltajes en el rango de voltios, relevante para aplicaciones como sensores o procesos electroquímicos. Los datos de medición de celdas esféricas conectadas en serie se describen en un estudio de acceso abierto de celdas de silicio esféricas conectadas en serie bajo condiciones de iluminación definidas, incluidos parámetros geométricos en el rango de centímetros cuadrados y voltajes de aproximadamente 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, la fabricación es cada vez más importante, porque los perfiles de dopado, la pasivación de superficies y la metalización por contacto deben ser reproducibles en superficies curvas para que la dispersión entre 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 de impregnación ópticamente transparente que limita el envejecimiento causado por los rayos UV.
• Disipación de calor de alta radiación sin puntos calientes locales
• Control de calidad de bolas apenas visibles en la forma.

Además del aspecto eléctrico, la óptica también 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 superficie activa. El estudio citado describe un aumento mensurable de la fotocorriente cuando se utilizan materiales reflectantes, lo que subraya 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 estos procesos a un nivel industrial depende de los tiempos de ciclo, los requisitos de energía y las tasas de desechos y, en última instancia, también de los costos 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 también desempeñan a menudo un papel importante, ya que las superficies de vidrio deben proporcionar luz natural y energía al mismo tiempo. Las celdas esféricas se pueden espaciar en el soporte para que parte de la luz visible continúe pasando a través del componente y el área eléctrica permanezca 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 desplaza el foco hacia la robustez angular y el uso de componentes de dispersión, que pueden ser particularmente relevantes en fachadas, patios o en regiones con frecuentes nubosidades. Lo que es fundamental es la consistencia con la que los módulos funcionan a lo largo del día y en qué medida la contaminación, la condensación o la tensión mecánica en el material compuesto afectan el rendimiento a largo plazo.

Lo que la próxima serie de mediciones tendrá que aclarar

Si Sphelar formará un nicho o un estándar en el amplio sector del suministro de energía dependerá de 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 se deben estandarizar la distribución angular de la luz y la interacción con el entorno. Por lo tanto, tendría sentido disponer de 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 en fachadas curvas o superficies de vidrio semitransparentes. Al mismo tiempo, una pregunta sistémica sigue sin respuesta: si una esfera 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 se adapta a las tendencias que se resumen en la fotovoltaica funcional porque el diseño, la función de los componentes y el rendimiento eléctrico se optimizan juntos. El papel que desempeñe Sphelar en todo esto 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 dividir el agua en general que consta de células solares esféricas de silicio conectadas en serie; doi:10.1038/srep24633