La investigación y el desarrollo fotovoltaico en España

Antonio Luque y Gabriel Sala
Instituto de Energía Solar
Universidad Politécnica de Madrid

Introducción

España seguramente fue en 1999 el primer país fabricante de células solares de Europa, según los datos publicados por Paul Maycock, con los 6 MWp fabricados por Isofotón y los 5 MWp de BP Solarex. A esto hay que añadir la fabricación de módulos por Atersa con células importadas. Lo sorprendente de esta situación es que el mercado interno español es moderado y que la producción española de células solares va a exportación en cantidades alrededor de un 80%. Así, y teniendo en cuenta además que una de las compañías, Isofotón, fue creada en 1981 como un spin-off de la universidad, con tecnología totalmente desarrollada en ella, es de esperar que la I+D española en conversión fotovoltaica sea razonablemente eficiente. Un indicio que confirma esta impresión es el hecho de que en la 2ª Conferencia Mundial Fotovoltaica, que tuvo lugar en Viena en 1998, España fue, tras Alemania, USA, y Japón, el país que presentó más comunicaciones.

Pero escribir un artículo en el que se describa la I+D en España es una tarea muy difícil, que hasta ahora nunca hemos visto satisfactoriamente realizada. En el presente artículo procuramos dar una visión lo más completa posible, pero estamos seguros que algunas labores meritorias, hechas sobre todo por centros de investigación que se dedican principalmente a otros campos, pueden habernos pasado desapercibidas. Vayan nuestras disculpas para los que mereciéndolo, no citemos. Asimismo, en la descripción de estrategias conocemos mejor las del IES, nuestro Instituto, que las de otros centros españoles, y eso será también un punto débil de nuestro trabajo.

El marco institucional

En España no ha habido tradicionalmente una actividad pública clara de financiación de I+D fotovoltaica, o incluso energética con pretensión de universalidad, de aquí que no exista un catálogo adecuado de agentes investigadores. Los fondos de investigación, propiamente dicha, han venido principalmente de la Comisión Europea, principalmente del programa JOULE, y en ciertos periodos, de la Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología (CICYT), órgano estatal que financia proyectos de investigación en diversos programas nacionales, entre los que no había ninguno de Energía, pero que a veces aceptaban proyectos fotovoltaicos en los de Materiales o Comunicaciones.

A estos se pueden sumar los proyectos o actividades financiadas por las diversas Comunidades Autónomas, de difícil evaluación.

En el pasado existía un fondo que se detraía de las facturas eléctricas de los usuarios, totalizando, creemos, el 0.3%, que se dedicaba al desarrollo industrial en áreas energéticas, y que ha sido utilizado, con cierta generosidad, para financiar actividades en energías renovables, aunque menos en energía fotovoltaica. En la práctica se ha centrado en el desarrollo de plantas de demostración, más o menos grandes, y se han financiado trabajos de desarrollo asociados con esta actividad. Este fondo, que era gestionado por una oficina pública --OCIDE-- pero que las compañías eléctricas siempre consideraron suyo, estimuló el interés de las mismas por las energías renovables, en parte como medio de controlar el citado fondo en proyectos aceptables por el sector público.

Junto a ello ha existido un apoyo muy moderado al desarrollo industrial a través de programas gestionados por el Ministerio de Industria, que a veces se completaba con la concesión de créditos blandos por el CDTI, órgano de dicho Ministerio para la concesión del citado tipo de ayuda. Todo ello se doblaba en las Comunidades Autónomas por programas industriales seguramente más generosos, quizás a veces mejor orientados, pero variables geográficamente y muy difíciles de evaluar.

En todo caso, no tenemos la impresión de que los poderes públicos españoles --ciertamente interesados por las energías renovables-- hayan entendido la importancia de la tecnología que se estaba desarrollando en el país y la hayan apoyado mucho. Por el contrario han creído que era importante el apoyo a la instalación y han mantenido subsidios para ello, de nuevo a veces más importantes en ciertas Comunidades Autónomas, siendo el IDAE el organismo público de carácter estatal responsable de tales apoyos.

Naturalmente, esto constituye un apoyo complementario al desarrollo de la tecnología, sobre todo aumentando los mercados, pero el éxito de estos programas ha sido moderado, si se tiene en cuenta lo elevada que es la tasa de exportación. O quizá haya sido precisamente la falta de apoyo interno la que ha forzado a las industrias españolas a lanzarse a la conquista de los mercados internacionales dándose el caso que una compañía puramente española, como es Isofotón, tenga su mercado distribuido en mas de cuarenta países, siendo Alemania y no España su primer mercado. En el caso de BP Solarex, su transnacionalidad es una cualidad de origen, y probablemente está presente en tantos países como Isofotón o incluso en más.

Existe en España un decreto (de 30 de Diciembre de 1998) que establece el pago a los productores de electricidad fotovoltaica de unas 66 ptas./kWh producido en instalaciones de menos de 5 kWp y de 36 para instalaciones mayores Esta normativa, no muy diferente de la que he tenido gran éxito en Alemania para la expansión del mercado (de las compañías extranjeras en Alemania, incluyendo las españolas), no ha tenido éxito hasta ahora en España. La razón principal es la ausencia de una reglamentación técnica que detalle el decreto. Esta normativa ha sido ya elaborada y está a la espera de que las nuevas autoridades responsables tomen una determinación, que ya había sido tomada por las anteriores, sorteando para ello las posibles presiones existentes en contra.

En el momento actual se están produciendo dos cambios muy importantes en la estructura española de apoyo público a la I+D. Una es de carácter general, y se refiere al hecho de que el antiguo Ministerio de Industria, que se ocupaba del apoyo a la I+D empresarial, ha desaparecido para dar lugar a un Ministerio de Ciencia y Tecnología que desgaja también del de Educación las competencias de la investigación pública. La otra es que por primera vez existe un programa de investigación en energía que podría ser más integrador que los que ha habido en el pasado, aunque tememos que este programa pueda estar pobremente dotado.

Seguramente los cambios mencionados van a favorecer que por primera vez sea posible en España una colaboración intensa entre el sistema público de investigación y el sistema empresarial en muchos sectores. Para la industria fotovoltaica, que es ya global, la permanencia en los mercados, y su penetración adicional, requerirá, sin duda, un esfuerzo tecnológico que habrá que apoyar desde el sector público y que ahora esperamos que sea posible plantear con los instrumentos adecuados.

En particular, el programa PROFIT apoyará las siguientes acciones, que por primera vez se refieren a la tecnología:

- desarrollo de dispositivos fotovoltaicos de lámina delgada.
- aumento del rendimiento de los componentes, incluyendo el desarrollo de células con separación espectral (en tandem) o de otros conceptos innovadores.
- una mayor integración vertical de tecnologías y abaratamiento de los procesos de fabricación en las industrias.
- desarrollo de sistemas o sus componentes para acceder a nuevos mercados, con acciones como: sistemas de concentración, módulos para integración en edificios o tecnología espacial.
- proyectos de demostración de nuevas tecnologías que permitan la maduración industrial de las mismas.

Es de señalar que el apoyo público a la I+D empresarial es practicado en todo el mundo, y es esencial para un sector que sólo recientemente ha alcanzado un volumen de mercado que permita una explotación ordinaria sin pérdidas y que, desde luego, está lejos de haber amortizado lo gastado en I+D. Este apoyo, que ha contado en España en el pasado con instrumentos ineficaces, parece tender hacia la buena dirección, pero no estamos seguros que las autoridades hayan adoptado todavía el modelo usado comúnmente en Europa y en los EEUU.

Los agentes

El Instituto de Energía Solar (IES) de la Universidad Politécnica de Madrid, en el que los autores nos integramos, es el más antiguo de los existentes en España (1979), y probablemente el de mayor influencia internacional. Desde él se creó la empresa Isofotón para fabricar las células bifaciales, entonces recién inventadas en el IES. Del IES han salido también los fundadores de varios de los grupos de investigación más consolidados de entre los que cultivan la energía fotovoltaica en España.

El IES (Dir. A.Luque) integra a más de 40 personas de las cuales más de 35 son personal investigador. El centro, que cuenta con un edificio propio alimentado con 13,5 kWp de módulos fotovoltaicos armónicamente integrados en la arquitectura, desarrolla los Programas siguientes: Estudios Fundamentales (A. Luque y A. Martí), Tecnología de Silicio (A. Luque), Tecnología III-V (C. Algora), Óptica (J.C. Miñano), Concentradores y Equipos (G. Sala) y Sistemas Fotovoltaicos (E. Lorenzo). El IES se ocupa de promover las aplicaciones fotovoltaicas con la tecnología actual (Programa de Sistemas Fotovoltaicos), mantener la competitividad de la industria actual (parcialmente, el programa de Tecnología de Silicio) y desarrollar tecnologías que puedan reducir significativamente el coste de la electricidad fotovoltaica con el objetivo final de alcanzar costes inferiores a los de la electricidad convencional (resto de los Programas).

El centro con mayor influencia nacional se ubica seguramente en el CIEMAT. El CIEMAT es un antiguo y prestigioso centro de energía nuclear que en el presente se ha diversificado para constituirse en el mayor Centro Nacional para la investigación industrial no militar. El CIEMAT mantiene dos unidades de investigación en energía fotovoltaica, ambas en Madrid, una en Componentes y Sistemas (F. Chenlo) que integra a unas 12 personas y que se ha dotado, entre otras cosas, de un excelente sistema de homologación de paneles fotovoltaicos de calidad internacional --el Laboratorio de Ensayos Fotovoltaicos (LEF)-- y otra, el grupo de Desarrollo de Materiales y Dispositivos Fotovoltaicos (T. Gutiérrez), de tamaño parecido, orientado al desarrollo de células de capas delgadas, en estrecho contacto con la actividad colectiva europea en este sector.

Isofotón S.A.--la séptima compañía mundial en producción de células solares, según la revista alemana Photon Internacional-- mantiene un Departamento de I+D (E. Perezagua, J. Alonso) situado en Málaga, compuesto de 9 personas a tiempo completo, que trabaja en colaboración con organismos públicos de I+D españoles y europeos en sectores a corto plazo tales como la fabricación de módulos semitransparentes de gran área, de módulos fotovoltaicos sobre substratos cerámicos para adaptación en edificios y módulos estáticos de concentración con células bifaciales. A medio plazo trabaja en la automatización de procesos en línea de fabricación, el desarrollo de células de silicio delgadas y en incremento del rendimiento de las células de silicio multicristalino. Por último, a plazos sucesivamente más largos, trabaja en concentradores de tercera generación con células tandem operando a más de 1000 soles y en células de banda intermedia por varias tecnologías.

El Grupo de Semiconductores de Instituto de Tecnología Microelectrónica de la Universidad del País Vasco, en Bilbao (J.C. Jimeno), integra a unas 14 personas (y numerosos estudiantes de Tesis de Ingeniería) casi exclusivamente dedicadas a la I+D fotovoltaica. Este es el único grupo universitario en España que posee una línea completa de fabricación de células solares por serigrafía, técnica usada mayoritariamente en la industria para la fabricación. La mayor parte de su investigación se centra sobre tecnologías asociadas con el uso del equipo descrito, la fabricación de instrumentos y la realización de modelos numéricos de células solares para su análisis o para su medida.

En el Departamento de Ingeniería Electrónica de la Universidad Politécnica de Cataluña, en Barcelona, hay un grupo de unos 22 científicos investigando en tecnología de dispositivos semiconductores. De ellos, unos 7 trabajan en células solares (L. Castañer, R. Alcubilla).

Se da la circunstancia que Castañer es el doctor más antiguo de España graduado con una tesis versando sobre conversión fotovoltaica (desarrollada en Francia) cuando esta tecnología era todavía desconocida en este país. El la actualidad los proyectos de este grupo versan sobre células que combinan el silicio cristalino y el silicio amorfo, en colaboración con el IES y la Universidad Rovira i Virgili, y sobre desarrollo de componentes electrónicos y modelos que faciliten el uso mas efectivo de la energía solar.

El Instituto de Tecnología y de Energías Renovables (ITER), de Tenerife, es un centro dependiente del Cabildo de la Isla que tiene una notable actividad en campos diversos de las energías renovables. Es especialmente activo en temas de viviendas energéticamente suficientes, teniendo en el edificio principal del ITER una planta de 28 kWp fotovoltaicos. Ha liderado la instalación de una planta de concentración fotovoltaica de 480 kW nominales en colaboración con el IES y con BP Solarex. En el momento actual debe dedicar unas 7 personas a I+D en temas fotovoltaicos.

En el Departamento de Física Aplicada y Óptica de la Universidad de Barcelona hay un grupo de unas 7 personas bajo la dirección de J. Andreu, investigando en células de capas delgadas.

Este grupo, que en el pasado realizó células de silicio amorfo con rendimientos razonables, ha desarrollado últimamente una técnica de deposición de silicio nanocristalino muy celebrada. También ha participado en el diseño de la instalación de la biblioteca de Mataró, la mayor instalación de España en un edificio (35 kWp) conectada a la red e integrada en la fachada.

El grupo Fotovoltaico de la Universidad de Jaén, dirigido por G. Almonacid, integra a unas 15 personas trabajando en investigación sobre sistemas fotovoltaicos, aspectos de seguridad de los mismos y geografía humana asociada con la energía fotovoltaica.

El grupo de Dispositivos Semiconductores del Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática de la Universidad Rovira y Virgili (J. Pallarés) integra unas 5 personas y se dedica a los semiconductores no cristalinos. En particular tiene un proyecto en colaboración con la Universidad Politécnica de Cataluña y el IES, relativo a la deposición de capas de silicio amorfo en silicio cristalino para la obtención de células de elevadas prestaciones.

Los grupos de M. Sirdrach de Cardona y de F. Serrano, en la Universidad de Málaga, estudian aspectos asociados con los sistemas fotovoltaicos.

En la Facultad de Ciencias de la Universidad Autónoma de Madrid, J. M. Marínez Duart mantiene una actividad en células solares que hoy se centra sobre todo en la preparación de capas de silicio poroso para fabricar capas antireflectantes.

Trama Medioambiental es una empresa de dedicada a los equipos de regulación y control para sistemas fotovoltaicos ubicada en Barcelona y con implantación internacional. La empresa dedica unas cuatro personas (X. Vallvé) a la investigación fotovoltaica.

Inspira S.L. (I. Luque Heredia) es una empresa situada en Madrid, dedicada al desarrollo de sistemas de seguimiento solar y de regulación y control de sistemas fotovoltaicos. Esta empresa colabora activamente con Isofotón, BP Solarex y otros agentes del sistema español y europeo de I+D fotovoltaica.

Teulades i Façanes Multifuncionals, de Barcelona, ha desarrollado módulos especiales para aplicar las células solares a las técnicas específicas de la arquitectura fotovoltaica.

En la Facultad de Ciencias de la Universidad Complutense, en Madrid, el Grupo de Sánchez Quesada ha realizado investigaciones de calidad sobre capas delgadas para uso fotovoltaico.

Robotiker, en el País Vasco, dedica 4 investigadores al desarrollo de técnicas de control y seguimiento mediante Internet de plantas fotovoltaicas de distintas dimensiones. También se preocupa de los aspectos normativos de las instalaciones fotovoltaicas.

Enertrón (J. Visiers) es una compañía que fabrica excelentes inversores de grandes dimensiones contando con tecnología propia. No hemos identificado separación entre la I+D y la fabricación, pero de nuevo en este caso la compañía mantiene un desarrollo industrial continuado

Atersa, basada en Valencia (F. Monera), es una de las más importantes distribuidoras de sistemas fotovoltaicos en España, con proyección internacional y desde hace unos años fabricante de módulos fotovoltaicos con células procedentes de la empresa americana Astropower. En sus planes está el iniciar en breve la fabricación de células convencionales. Además, Atersa fabrica todos los elementos necesarios para el acondicionamiento de potencia, incluidos inversores de varios tamaños con tecnología propia. No hemos podido separar la componente de I+D de esta compañía pero será, ciertamente, importante.

AstraSolar (J. Anta), está implementando en España una planta de fabricación de células solares con la tecnología de Astropower (USA), en asociación con la empresa Atersa descrita en este documento. Aunque en el momento actual dedica todo su esfuerzo a la instalación de la citada tecnología, es de esperar que llegue a incorporarse en breve a la actividad de I+D en España.

BP Solarex, basada en USA, constituye hoy la primera compañía del mundo en fabricación de células solares. La planta de Madrid, que fabricó 5 MWp en 1999 es la única que tiene instalada en Europa. Esta planta está dotada con una tecnología singular, que hace de sus células las más eficientes del mercado. La I+D en Europa se desarrolla, en teoría, en el Reino Unido. Sin embargo, mucha de ella se hace en España y existen planes para establecer en nuestro país una unidad de I+D dependiente de la inglesa que apoye a la fabricación más de cerca.

Es destacable, aunque en otro ámbito, la presencia de una empresa privada para la formación de técnicos y especialistas, Censolar, cuya dilatada labor docente en energía solar ha trascendido hasta ser un referente de opinión e información en España e Iberoamérica. Participa en proyectos de Investigación y su conocimiento del sector es un valioso recurso para empresas e instituciones que quieran establecer estrategias de I+D con buen fundamento. Su vocación en el mantenimiento de una cultura fotovoltaica "iberoamericana" será otra razón para contar con ella en muchos futuros proyectos.

Por último, una serie de compañías eléctricas han patrocinado en España la instalación de plantas fotovoltaicas, para lo que han contado con la dedicación de ingenieros de la compañía a estas tareas para dirigir las operaciones de instalación. El mantenimiento de estas plantas les exige dedicar un personal a este menester, y en este sentido cabe identificarlos como agentes de investigación en el sector fotovoltaico. Estas compañías son Iberdrola (J. García), que instaló en 1984 cerca de Madrid la planta de S. Agustín de Guadalix, de 100 kWp; Unión Fenosa y Endesa, con la planta de 1 MWp en Toledo (hacia 1994) con dos campos fijos y un campo con órganos de seguimiento único en Europa (desarrollado por el IES); y Sevillana de Electricidad, con la instalación más reciente de 300 kWp en Sierra María (Córdoba). También Endesa (E. Menéndez) y otras compañías mantienen un cierto interés sobre el tema.

En total hemos mencionado dos docenas instituciones que en mayor o menor medida hacen I+D en España. Estas instituciones aglutinan probablemente a más de 150 personas ligadas a la I+D en energía fotovoltaica en el país.

Las estrategias de I+D

Sostenemos que hacia mediados del siglo XXI la energía solar fotovoltaica estará entre los más importantes proveedores de electricidad. ¿Qué nos hace pensar esto? Por una parte, el vertiginoso aumento del mercado de la energía solar en el mundo, que en los últimos años se acerca al 30% anual, y todo ello pese a que la electricidad fotovoltaica es mucho más cara, en muchos casos que la electricidad convencional a la que los usuarios tienen acceso.

Seguramente uno de los factores de este crecimiento es la extremada modularidad de los generadores fotovoltaicos: Estos sistemas son frecuentemente de tamaño familiar, una situación sin precedente desde el nacimiento de la electricidad La generación de energía eléctrica comenzó siendo un asunto de dimensión urbana, limitado por cierto a las ciudades medianas o grandes, para irse concentrando hasta llegar a ser de tamaño regional o incluso --como en el caso de Francia-- de tamaño nacional. Esto trae como consecuencia que en la electricidad convencional los inversores potenciales (estados y grandes corporaciones), no sobrepasan en mucho el millar, mientras que en el caso de las instalaciones fotovoltaicas los inversores potenciales superan cuando menos las decenas de millones, probablemente los cientos de millones, y quizás hasta los mil millones.

Pero por otro lado, hay una confianza difusa de que la energía fotovoltaica ha de ser la energía del futuro. Creemos que, aunque no muy explícitamente, se confía en un progreso continuado de estas tecnologías que tornarán barato lo que hoy es todavía caro. ¿Está justificada esta confianza?.

Nuestra opinión es que sí, pero no como con mucha frecuencia se oye, a través de la simple reducción de costes asociados con la producción en masa. Se precisará el desarrollo de nuevas tecnologías con un mayor potencial de reducción de precios. A largo plazo, y gracias a aumentos sustanciales del rendimiento de conversión de la energía solar en electricidad, que aprovechen mejor el recurso solar (cuyo débil flujo es el que, en el fondo, encarece esta energía), vislumbramos que la producción de electricidad solar fotovoltaica se podrá hacer a precios que podrán competir con los de las grandes centrales convencionales incluso en las grandes urbes.

Si el esquema que hemos presentado es correcto, será pertinente ver en qué medida España, que hasta ahora ha conseguido hacerse un lugar en el mundo de la energía solar fotovoltaica, va a poder mantenerlo frente a la fuerte competencia de este mercado global.

Porque, como en una carrera de fondo, hay que pensar en estrategias a corto, a medio y a largo plazo:

Los sistemas y las instalaciones solares de hoy

Entre las estrategias a corto plazo hay que tener un buen entendimiento de cómo y porqué se hacen instalaciones solares. De cuáles son los problemas que se plantean, y cómo se resuelven. De quiénes son los prescriptores (los que aconsejan la compra) de la instalación fotovoltaica hoy y de quiénes lo van a ser mañana.

Varios de los grupos antes citados, desde el de Lorenzo en el IES y de Chenlo en el CIEMAT, los de las Universidades de Jaén o Málaga, de Trama Medioambiental en Barcelona o Robotiker en el País Vasco, son de mucho interés, sin olvidar desde luego la visión de las grandes empresas fabricantes como Isofotón, BP Solarex y Atersa, que viven el día a día de conquistar un mercado mundial de una quincena de megavatios. Afortunadamente la presencia de universidades en esta tarea garantiza la formación de los profesionales de alto nivel que han de liderarla. La de aquéllas y de las organizaciones públicas de investigación (OPIs) también permiten elaborar juicios sobre estrategias en los que se miran más los aspectos generales que los más particulares a los que las empresas tienen que responder generalmente.

No cabe duda que el hecho de que sea E. Lorenzo, del IES, el editor asociado para sistemas de Progress in Photovoltaics, la más importante revista de I+D del sector fotovoltaico, proporciona una atalaya mundial de observación muy interesante para atender a una estrategia global.

Por otra parte, ganar mercado significa desarrollar nuevas aplicaciones demandadas por el cliente, y estas necesitan el apoyo de una industria de elementos auxiliares. Esta función la cumplen perfectamente empresas como Enertrón y el ITER, con su convertidores continua-alterna, Inspira, que fabrica elementos para seguimiento y para gestión de potencia, u otras, no especificadas en la descripción anterior, pero que contribuyen con componentes a las grandes compañías del sector. A veces, como en el caso de Atersa, estos componentes son desarrollados y fabricados por ellas mismas.

Otras empresas como Teulades i Façanes Multifuncionals atienden las necesidades especiales del pequeño pero creciente sector de la arquitectura con FV integrado, en estrecha cooperación con los fabricantes de paneles.

Células solares de primera generación.

Pero, junto a esto, la tecnología de las células de primera generación, las de silicio cristalino, que dominan el mercado actual, debe ser constantemente mejorada, y las empresas españolas deben poder acceder a las mejoras necesarias. Sin agotar las posibilidades, pues las tres empresas españolas fabricantes de módulos son capaces de acceder a la investigación y a la tecnología externas, estas empresas pueden contar con la colaboración de los varios centros universitarios con capacidad en esta tecnología, es decir, básicamente, el IES, el Instituto de Microelectrónica del País Vasco y el Departamento de Ingeniería Electrónica de la Universidad Politécnica de Cataluña, con las colaboraciones más puntuales de otros centros en tecnologías próximas, tales como el CIEMAT, la Universidad Rovira y Virgili de Cataluña y la Universidad Autónoma de Madrid.

De hecho, tanto Isofotón, que está basada principalmente en tecnología generada en España, como muy principalmente BP Solarex, a pesar de que su tecnología de base es australiana, colaboran intensamente con los centros citados en el desarrollo de procesos más eficientes para fabricar células de silicio, principalmente con fondos de origen europeo. BP Solar, la compañía antecesora de BP Solarex, ha declarado en ocasiones que el IES era su principal centro de apoyo externo en I+D, aunque esta situación puede cambiar por el reciente desplazamiento del centro de gravedad de la corporación hacia los EEUU. AstroSolar/Atersa, que están poniendo en marcha la fabricación de células, aunque con un apoyo tecnológico básico de origen estadounidense, colaborarán sin duda en breve con los centros españoles para perfeccionar o adaptar lo que pueda ser menester de la tecnología que están implementando.

Un efecto previsible de la nueva estructura de apoyo a la I+D empresarial en España es el establecimiento de una red mucho más tupida de colaboraciones entre las empresas españolas, hoy todavía principalmente Isofotón, y los laboratorios públicos de I+D. La creación de una red intensa de esta naturaleza no estaba favorecida por la anterior situación de dependencia básica de fondos europeos, que en cambio favorecían la colaboración siempre muy interesante con centros europeos. Sin duda ambas fuentes de fondos se complementan mutuamente, y debe evitarse la ausencia de cualquiera de ellas.

Células Solares de Segunda Generación

Pero junto a las células de primera generación, de silicio mono y multicristalino, podemos hablar de las de segunda generación. Entendemos por ello las células que, o bien no son de silicio cristalino, tales como las células de capa delgada, o bien las que siendo o no de silicio cristalino, utilizan luz concentrada para su operación.

Las células de capa delgada suscitan, desde hace mucho tiempo, el interés de los investigadores. Sin embargo sólo el silicio amorfo ha suscitado interés de los grandes inversores para una comercialización, quizás prematura, y los bajos rendimientos así como la inestabilidad inicial de esta célula, han reducido su mercado prácticamente al de aplicaciones de consumo, no energéticas, tales como relojes y calculadoras. Nuevos materiales como el CIS y el CdTe constituyen hoy día una promesa que parece sólida, y hay grandes compañías en fase de iniciar una fabricación que se espera sea de mayor éxito que las células de Si-a, una vez aprendidos de los errores que aquella industrialización prematura trajo consigo.

De todas maneras los fabricantes de células de Si frecuentemente defienden que, con una producción masiva, sus células pueden llegar a reducciones de costes semejantes a las que prometen las células de capa delgada. En el fondo, extrapolando, puede ser fácil determinar el coste que pueden llegar a tener las células de Si cristalino. Mucho más difícil es determinar el coste real de las células de capa delgada, que depende grandemente de las prestaciones del producto obtenido y de los rendimientos de fabricación, conceptos ambos que requieren una fabricación piloto para determinarlos (y que en todo caso son mantenidos en secreto por los que, mejor o peor, los conocen).

La situación en España para las células de capas delgadas es menos favorable. Hay una investigación sólida en el CIEMAT, que se completa con la brillante actuación, aunque menos consolidada, del Departamento de Física Aplicada y Optica de la Universidad de Barcelona y la de la Facultad de Físicas de la Universidad Complutense de Madrid. Sin embargo, no hay ninguna compañía en España que se haya interesado en este tema. En estas circunstancias la única actividad a la que pueden entregarse los grupos españoles, muy importante sin duda, es a la de colaborar con actuaciones europeas de ámbito supranacional.

En el caso de los sistemas de concentración, como en el de las células de capa delgada, el concepto es igualmente antiguo, y su éxito en la industrialización y comercialización, aún más escaso. En parte, esto se ha debido a que los sistemas de concentración tienden a ser demasiado grandes en comparación con los paneles planos, y suelen tener órganos móviles. Probablemente los motivos de compra de los módulos fotovoltaicos actuales rechazan estas dos características. Así las cosas, se ven forzados a competir por precio y en esto no suelen poder hacerlo con la energía convencional. Sin embargo, es casi seguro que los sistemas de concentración tienen el potencial de ser más baratos que los de módulo plano.

Ocurre también que si bien hay excelentes células de laboratorio para concentración, la exigüidad de los mercados ha impedido la creación de compañías comerciales que las fabriquen. De esta manera, el desarrollo de sistemas fotovoltaicos de concentración es hoy virtualmente imposible, excepto para quienes tengan en su mano la capacidad de fabricar células de concentración.

Además, los problemas tecnológicos no triviales de evacuación de calor, encapsulado de células y fabricación barata de una estructura óptica móvil no están tampoco completamente resueltos.

En esta área, la situación española es muy favorable. Aunque la actividad industrial en concentración fotovoltaica es más importante en EEUU, el IES es un centro con más de veinte años de experiencia que, por ejemplo, ha ganado una ayuda de I+D en EEUU, junto con la empresa americana Sunpower Corp. en la que es públicamente calificada como una de las más competentes del mundo en óptica sin imagen. Por otra parte es importante la toma de posición de BP Solar con el desarrollo en Tenerife de la mayor planta de concentración fotovoltaica del mundo (EUCLIDES-THERMIE), en colaboración con el IES y el ITER. Posiblemente las correlaciones de fuerzas que surgen con la nueva posición de BP Solar con la americana Solarex (consecuencia a su vez de las fusiones de BP Oil y Amoco), que desplaza el centro de gravedad de la compañía desde Europa, y España en concreto, hacia los EEUU, pueden restar impulso a estas iniciativas.

Sin embargo, surgen otras. Isofotón ha tomado posición en dos acciones específicas: por una parte, el desarrollo de un concentrador estático con células bifaciales, de pequeñas dimensiones y concebido como una persiana veneciana, usando una nueva técnica de diseño de los concentradores --la técnica SMS inventada en el IES-- para aplicaciones específicas de los edificios conectados a la red. Estos tipos de productos no tienen ningún órgano móvil y permiten concentraciones hasta 4×, con el consiguiente ahorro de silicio.

La otra acción es el desarrollo de concentradores de AsGa, de alto rendimiento con niveles de concentración 1000× necesarios para pagar el elevado precio del material de partida. El montaje de este tipo de concentrador se inspiraría en el usado para los diodos LED, que se fabrican hoy a millones a precios reducidos. También la óptica en este caso es del IES, sintetizada por el método SMS y las células de AsGa han sido desarrolladas en el IES, en colaboración con el Instituto Ioffe de San Petersburgo, y alcanza rendimientos del 26.2% a 1000×, el mayor del mundo a esa concentración.

Células solares de tercera generación

Pero existe una tercera generación de células solares que ya comienza a despuntar. Por tercera generación nos referimos a células que no siguen el esquema básico de funcionamiento de una célula solar tradicional.

Su principio de funcionamiento, tal y como lo precisaron el Nobel Shockey y su discípulo Queisser (SQ) es el que sigue: Las células solares están hechas de un material semiconductor, que en las células de primera generación es, como hemos dicho, el silicio cristalino, el mismo usado para los chips microelectrónicos. En un semiconductor los fotones o cuantos de luz de suficiente energía bombean a los electrones desde la llamada banda de valencia, donde suelen encontrase, a la llamada banda de conducción, más energética. Ambas bandas están separadas en el eje de energías por la llamada banda prohibida.
Desde esta banda de conducción los electrones pueden extraerse a un circuito exterior mediante un contacto metálico hecho en una región llamada "tipo n", fabricada dopando (impurificando) locamente el semiconductor con un elemento químico adecuado; fósforo, por ejemplo, en el caso del silicio. Tras perder su energía en realizar el trabajo eléctrico que se desee (encender luces, poner en marcha la lavadora, etc.), los electrones se retornan a la banda de valencia del semiconductor en cuestión mediante otro contacto a una región llamada "tipo p", dopada con otro elemento químico; por ejemplo, boro en el silicio.

El concepto de célula de tercera generación ha sido acuñado recientemente con la creación en Australia del "Centro Especial de Investigación para Fotoelectricidad de Tercera Generación". Sin embargo, este concepto se ha ido fraguando en la ultima década, como una respuesta novedosa que aprovecha también las más recientes tecnologías. Se trataría en este caso de conseguir células solares que trascendieran el concepto antes explicado, y que por lo tanto no estuviera sometido a sus límites, que en el mejor de los casos no podrían permitir un rendimiento mayor del 40%, según las leyes de la termodinámica. Es de señalar que la mejor célula de segunda generación ha alcanzado un rendimiento del 27,6%, que representa el 78% del que impone el límite termodinámico para la estructura y las condiciones de medida utilizadas.

Varias son las maneras de trascender esos límites. Es conocida de antiguo la utilización de varias células solares en "tandem". Se trata en este caso de conjuntos de células solares ordinarias, cada una sometida al límite de SQ, pero que consideradas como un todo lo superan. Constituidas por diversos materiales, y por consiguiente con bandas prohibidas diferentes, se apilan unas sobre otras, la primera la de mayor banda prohibida, y así sucesivamente, de manera que los fotones más energéticos son absorbidos por la primera, los siguientes por la siguiente, etc. Rendimientos cercanos al 87% se podrían alcanzar usando un numero infinito de estas células en condiciones ideales. En el momento actual la empresa Spectrolab y el Laboratorio Nacional de Energías Renovables, ambos de EEUU, han conseguido ya un rendimiento del 32.2% con una estructura de tres células solares de fosfuro de indio y galio sobre arseniuro de galio, todo ello sobre germanio.

Este tipo de células son muy caras, pero trabajando a 1000×, y con la óptica apropiada, por ejemplo la que se está desarrollando en el IES para las células de AsGa a 1000. se podrían llegar a alcanzar, en climas apropiados, costes en el rango de 3.5 centavos de dólar por kWh, lo que es menos que en muchas de las técnicas actuales de producción de electricidad. De todas maneras el desarrollo de las células tandem para muy alta concentración, aunque estimado posible, no se ha abordado todavía.

Aún sin llegar a estos límites de calidad, células de capa delgada, por ejemplo de Si amorfo, en tandem con células de CSi amorfo de mayor banda prohibida y de GeSi amorfo, de menor banda prohibida, se están usando para generar células tandem que, no estando constreñidas por el rendimiento de la célula de SQ, tienden hacia valores superiores del rendimiento, quizás los necesarios para hacer rentables estas células. De hecho, alguna compañía de EEUU está investigando en células basadas en este concepto.

En España la colaboración Isofotón-IES señalada antes sobre concentradores a 1000×, se continuaría con el desarrollo de células tandem de alto rendimiento para concentración, usando los concentradores SMS explicados antes.
También el CIEMAT tiene los medios para avanzar en el desarrollo de materiales tipo CSi y GeSi amorfos, para tandems de capa delgada.

Por último, el IES ha avanzado una propuesta de una nueva célula de tercera generación. Se trata de usar dos fotones en un semiconductor con una banda prohibida muy ancha para bombear un electrón a la banda de conducción. Para ello propugnamos crear una banda permitida de energías en medio de la banda prohibida, de manera que un primer fotón bombearía al electrón de la banda de valencia a la intermedia, y el segundo la bombearía desde ella a la de conducción. Por supuesto, los fotones de mayor energía podrían efectuar el bombeo sin pasar por la banda intermedia.

La elevada anchura de la banda prohibida permitiría suministrar los electrones al circuito exterior con una energía libre elevada. Además, al contrario de lo que ocurre en las células solares normales, en las que los fotones con energía inferior a la banda prohibida no son absorbidos y no hacen ningún efecto, en éstas las transiciones con la banda intermedia permitiría el uso de los fotones menos energéticos. Los límites teóricos del rendimiento de estas células se encuentran por encima del 60%. Además, se pueden combinar con una o varias células adicionales en tandem. Se está investigando materiales capaces de producir la estructura adecuada. Es posible que una de las claves para ello sea el uso de nanotecnología, y es concebible que este nuevo principio pueda dar lugar a células de alto rendimiento para usar en concentración, o a nuevos principios que ilustren la fabricación de células de capa delgada más eficientes.

Conclusiones

Comparada con otras naciones europeas, España tiene un buen potencial industrial en la fabricación de células solares. En su conjunto, el nivel de I+D público y privado permite controlar la tecnología hoy utilizada por su industria.

Puestos a subrayar carencias, no hay en España I+D sobre silicio solar, un tema que preocupa a muchos ante el riesgo de que haya que comprar el silicio en el futuro a un precio superior al actual, que descansa en el precio de subproductos de la industria microelectrónica. De todos modos, no hay que exagerar este peligro. Aún al precio que compra el silicio la industria microelectrónica, los costes no se verían afectados en más de un 5%. Además, las magníficas relaciones internacionales de las empresas españolas les permitirán asociarse sin problemas mayores a cualquier movimiento pan-europeo que se produzca para resolver el problema.

Una carencia importante es, sin embargo, la fabricación de células de capa delgada. Probablemente el país no está bastante preparado para abordarla independientemente, y las fábricas con tecnología extranjera que pudieran llegar a instalarse lo harían seguramente con condiciones restrictivas, cuyas ventajas habría que negociarlas en ámbitos ajenos a la tecnología (por ejemplo, orientación hacia el mercado latinoamericano por razones de idioma u otras). De todos modos hay que decir que no todos tienen claro que la célula de capa delgada vaya a ser una opción a corto plazo, por lo que fortalecer nuestra estructura de I+D pública en este sector hasta hacerla capaz de producir una tecnología completa, puede ser una opción razonable.

Por lo que se refiere a las tecnologías de concentración, en España se tiene un claro liderazgo, en comparación con Europa, tanto en I+D pública como en interés empresarial. Desde luego,

los EEUU superan sin duda al potencial español, pero si la tecnología se desarrolla por este camino, España puede jugar en un papel global importante. Más aún, el desarrollo de estas tecnologías en el ámbito global se está viendo ya hoy influenciado por la actividad de la I+D española.

Pero es posible que de las células de primera generación se pase a las que llamamos de tercera generación, y de nuevo en esto, tanto la industria como el sector público, a un nivel naturalmente más reducido, nos estamos preparando para ello. Es muy pronto para decir que ha de ocurrir, pero lo que es probable es que sea lo que sea, la I+D y la industria españolas estén presentes también en esta nueva fase.