Investigación: un sencillo cambio permitiría fabricar celdas solares menos contaminantes

El cloruro de cadmio es una sustancia horrible. Sus iones de cadmio son extremadamente tóxicos, causan enfermedades cardiacas, trastornos hepáticos y una gran cantidad de otros problemas de salud. Un derrame accidental de este compuesto soluble en agua puede aniquilar los peces de un río. Así que resulta irónico y desafortunado que el cloruro de cadmio sea esencial para la fabricación de una fuente promisoria de energía limpia: las celdas solares de lámina delgada con teluro de cadmio.

Investigadores de la Universidad de Liverpool en el Reino Unido han descubierto que se puede reemplazar el cloruro de cadmio con cloruro de magnesio, una alternativa benigna y extremadamente económica que podría ayudar a reducir el costo y el impacto ambiental de las celdas fotovoltaicas de lámina delgada. El cloruro de magnesio se extrae del agua de mar y se usa como anticongelante de baja temperatura para carreteras o como espesante para preparar tofu. Además, a un costo aproximado de 1 dólar por kilogramo a granel, es cientos de veces más barato que el cloruro de cadmio. 

Este nuevo proceso libre de veneno puede ayudar a las celdas solares de lámina delgada a desafiar el dominio de las celdas fotovoltaicas de silicio, las cuales constituyen cerca del 90 por ciento del mercado de energía solar del mundo, pero que tienen ciertas desventajas serias. El silicio no absorbe la luz solar de una manera adecuada, así que los módulos requieren de capas de cristales de altísima pureza, cada una de más de 150 micrómetros de grosor. El costo de estas losas de silicio dificulta los esfuerzos para reducir el precio de la energía solar.

Las celdas solares de capa delgada ofrecen una solución. Mediante el uso de semiconductores que atrapan los rayos solares de manera mucho más eficiente, pueden obtener resultados similares con láminas de material de menor pureza y de solo 2 micrómetros de grosor. La diferencia: una reducción significativa en los costos de producción.

La tecnología líder de lámina delgada, basada en un “sándwich” de telurio de cadmio y sulfuro de cadmio (CdTe/CdS), conforma entre el 5 y el 7 por ciento del mercado de la energía solar. Aunque esta tecnología ha estado presente por décadas, las celdas de CdTe se han demorado en despegar, en particular porque su eficiencia para convertir la luz en electricidad ha quedado rezagada por el silicio. Sin embargo, en los últimos años, la eficiencia de las celdas de CdTe ha aumentado por encima del 20 por ciento en el laboratorio, lo que las ubica a tan solo cinco puntos porcentuales después del silicio (Los módulos comerciales para ambas tecnologías normalmente tienen eficiencias menores).

“Ahora que la eficiencia ha mejorado, el CdTe puede competir a nivel comercial con el silicio”, dice Jonathan Major, un investigador de energía fotovoltaica en la Universidad de Liverpool, quien desarrolló el nuevo proceso con cloruro de magnesio.

¿Entonces, qué hace el cloruro de cadmio y, ahora, el cloruro de magnesio en estas celdas fotovoltaicas de lámina delgada?


Cuando la luz golpea en la región límite entre el CdTe y el CdS en las celdas, excita los electrones que son atraídos hacia la capa de CdS (un semiconductor tipo n). A medida que los huecos dejados atrás por estos electrones resultan en la capa de CdTe (tipo p), la separación de carga genera una corriente. Sin embargo, las dos capas deben ser tratadas con una solución de cloruro de cadmio u otra equivalente para que funcionen de manera eficiente.

“Este proceso se usa en todas las plantas [fabricantes]”, dice Major, y requiere de instalaciones especializadas de procesamiento de desechos para tratar el material.

El tratamiento tiene varios efectos; uno es que los iones de cloruro del material ayudan a formar una mejor unión entre las dos capas del semiconductor. Y otro, según lo visto por Chen Li en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Tennessee, es que el cloruro reemplaza una parte del telurio en la capa de CdTe. “Esto protege a los electrones y a los huecos de una recombinación no deseada”, dice Li, lo cual permite que la energía fluya con más eficiencia.

El equipo de Major ensayó una variedad de sales de cloruro como sustitutos del cloruro de cadmio, y encontró que un tratamiento con vapor de cloruro de magnesio conseguía los mejores resultados. Sus celdas alcanzaron eficiencias del 13,5 por ciento, similares a las celdas de control hechas con el proceso convencional; también coincidieron en otros factores como el voltaje, la densidad y estabilidad de la corriente.

Nuevas mejoras del diseño, como el adelgazamiento de la capa de CdS, aumentaron las eficiencias de las celdas hasta un 15,7 por ciento. Y en lugar de tener que usar campanas de humo y máscaras de gas, como se requiere durante el proceso con cloruro de cadmio, “podemos depositar el cloruro de magnesio usando un aerógrafo para rociarlo en la parte posterior de la celda solar”, dice Major. 

Sus resultados se presentaron en la conferencia del Foro Abierto de Eurociencia en Copenhague, y se publicaron en la revista Nature.

Curiosamente, la presencia de magnesio en la mezcla parecía no tener efecto alguno (quizás porque las celdas de CdTe convencionales ya contienen un poco de magnesio), ya que se dispersa fuera del vidrio que cubre la celda.

Major dice que ha estado en contacto con el fabricante líder de celdas solares de CdTe: First Solar, ubicado en Tempe, Arizona. Este suministra a la instalación de energía solar fotovoltaica más grande del mundo, Agua Caliente Solar Project de Arizona, que abrió en abril y tiene una capacidad instalada de 290 megavatios.

“El tratamiento con cloruro de cadmio es hasta el momento una parte crítica de la secuencia de fabricación de celdas solares de CdTe”, dice Raffi Garabedian, director de tecnología en First Solar. “Nosotros aplicamos un conjunto completo y robusto de controles ambientales, de sanidad y seguridad con el fin de garantizar que no tenemos impactos adversos como resultado de nuestra operación manufacturera”.

Garabedian añade que “a pesar de estos controles, el paso del tratamiento con cloruro de cadmio no es un generador principal de costos en nuestro proceso de fabricación”. Sin embargo, esto no es lo que Major escuchó: “Hablando con ellos en privado, ellos manifestaron que el cloruro de cadmio era el segundo mayor gasto en su proceso”.

Cualquiera que sean las repercusiones sobre el costo, el reemplazar el tóxico cloruro de cadmio, claramente, es una medida sensata. “Nosotros hemos estado y seguimos estudiando varias alternativas para el paso del tratamiento con cloruro de cadmio”, reconoce Garabedian. Pero por el momento, la compañía se mantiene en silencio respecto a si el espesante de tofu puede, efectivamente, dar un impulso a su negocio.

Silvio Sánchez

Soy la fundadora de TodoSalud.co, una estudiante de enfermería apasionada con la salud y la comunicación. Puedes seguirme en youtube, donde subo videos sobre maternidad; tambien en Instagram y Facebook :)