Justificación

1.5.1 Mercado de dispositivos fotovoltaicos.

La dependencia actual de los combustibles fósiles, propone un reto al desarrollo tecnológico, pues el calentamiento global incrementa la necesidad de eliminar las emisiones de carbono asociadas con la generación y uso de energía. Es por ello que las expectativas de desarrollo de los dispositivos fotovoltaicos se incrementan en gran manera. En los últimos años, el mercado de dispositivos fotovoltaicos se ha expandido extensivamente, contando con niveles de crecimiento aproximados del 50% anual colocando a estas tecnologías en un terreno atractivo para la inversión no solo en cuanto a la producción de paneles fotovoltaicos, sino también en lo referente a la investigación.^[1]

Organismos tales como la agencia internacional de la energía (IEA se sus siglas en inglés) mencionan que se requiere más implementación de fuentes renovables, particularmente en cuanto a la energía solar se refiere.^{[2, 3]} La IEA hizo hincapié en la necesidad urgente de acelerar las acciones para cambiar el 80% del total de las fuentes de energía relacionadas con emisiones de CO2, lo anterior con el fin de contar con un escenario por debajo de los 450ppm para el 2035.

La implementación de fuentes renovables de energía cuenta con múltiples problemas que dificultan su implementación, pero son principalmente políticos y científicos.^[3] La producción de energía a partir de dispositivos fotovoltaicos en el 2010 fue de aproximadamente 24GWp (figura 1.1), casi el doble comparada con el 2009, y de los dispositivos empleados más del 80% se basan en la tecnología de de silicio monocristalino. Una de las principales ventajas de esta tecnología es que las líneas de producción se pueden obtener, instalar y poner en marcha en un periodo de tiempo corto, pero con alto costo. Sin embargo, la escasez del silicio y la entrada en el mercado de tecnologías de película delgada han llevado a la expansión masiva de inversiones en esta tecnología entre el 2005-2010.^[1]

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 0

5 10 15 20 25 30

Pr o d u cci ó n An u al (G W)

Resto del Mundo Estados Unidos Malasia

Japón Europa Taiwan China

Figura 1.1 Producción anual de dispositivos fotovoltaicos del 200-2011

Desde el 2000 la producción total de dispositivos se ha incrementado en dos órdenes de magnitud con un crecimiento anual del 53%. El más rápido crecimiento se ha observado en China y Taiwán, las cuales en conjunto cuentan con más del 60% de la producción.

En cuanto al mercado, se espera que éste siga incrementándose como consecuencia de las necesidades mundiales actuales de fuentes de energía limpias (figura 1.2).

Por su parte, México cuenta con recursos naturales inexplotados y deseable por otros países en cuanto a fuentes renovables de energía se refiere, pues hay desde yacimientos geotérmicos, fuentes hidroeléctricas, zonas ideales para el desarrollo de energía eólica, mareomotriz y por si fuera poco, se localiza en una latitud del planeta ideal para la explotación de la energía solar fotovoltaica. De hecho no se justifica la generación de electricidad a partir de combustibles fósiles debido a la diversidad de fuentes de energía renovables que existen. Actualmente de las fuentes que más impulso han tenido para su desarrollo son la energía eólica y la energía geotérmica (figura 1.3).

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 0

5 10 15 20 25 30

In sta la ci ó n de Dispo sit ivo s (G W)

China

Resto del Mundo Alemania

España Italia

Resto de Europa

Figura 1.2 Consumo de dispositivos fotovoltaicos

Biogas 33 (1.39%) Geotermoeléctrica 965 (40.79%) Eoleléctrica

493 (20.84%)

Minihidroeléctrica 416 (17.58%)

Biomasa 459 (19.4%)

Figura 1.3 Capacidad instalada de fuentes renovables de energía en Agosto del 2010 (fuente: CFE y la comisión reguladora de energía)

Respecto al aprovechamiento de la energía fotovoltaica, México se encuentra en una zona (ver figura 1.4), que le permite el uso de sólo 37.7 km² de superficie en paneles fotovoltaicos para obtener una capacidad de generación eléctrica equivalente a la capacidad instalada actual de la CFE (39,270MW). El problema

radica en que a los costos actuales de la energía fotovoltaica, (~1$US/Wp para la tecnología de película delgada) esta capacidad instalada constaría casi 39, 270MD.

Esta es la principal motivación para realizar esfuerzos por desarrollar tecnología fotovoltaica en México, que contribuya a eliminar la dependencia que se tiene para generar energía directamente a partir de la quema de combustibles fósiles.

Por otro lado, cabe señalar que a pesar de las más de 6 décadas de investigación desde los primeros dispositivos fotovoltaicos fabricados de materiales inorgánicos, aún no se han superado rendimientos del 25% en el desempeño, y sólo dispositivos con tres uniones superan rendimientos del 40%.^[4] En cuanto a las tecnologías emergentes, ellas son otra historia, las celdas sensibilizadas con colorante (DSSC de sus siglas en inglés) cuentan con eficiencias de conversión ligeramente superiores al 10%, mientras que en los dispositivos orgánicos de estado sólido (OPVs) aún no se obtienen rendimientos del 10% (ver figura 1.5 ).

Figura 1.4 Irradiancia solar diaria en México

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 0

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 0

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 0

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 0

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Monocristalino Multicristalino heterocristalino

Eficiencia (%)

Silicio

Celdas Multiunion Tec. Emergentes

Si:H Amorfo (In,Ga)Se

2

CdTe Película delgada

DSSC

OPV- div tecnologias

2-uniones 3-uniones

Figura 1.5 Records de eficiencias energéticas obtenidos en las distintas tecnologías de dispositivos fotovoltaicos.

Una de las razones por las cuales los dispositivos orgánicos son más ineficientes que los inorgánicos se debe precisamente a la baja constante dieléctrica con que cuentan los materiales orgánicos respecto de la de sus homólogos inorgánicos, pues esto da lugar a que en los materiales inorgánicos los portadores de carga queden libres de atracciones coulómbicas después de la absorción fotónica. En los materiales orgánicos, debido a la baja constante dieléctrica, los portadores de carga permanecen enlazados por fuerzas coulómbicas después del proceso de absorción, y se requiere que sean separados completamente para contar con portadores libres.

Por lo tanto, en los materiales orgánicos el proceso de fotogeneración de corriente es mucho más complejo, lo que da lugar a una menor eficiencia de conversión energética.^[5] Este mecanismo de fotogeneración más complejo que se presenta en los OPVs es la principal motivación para enfocar el proyecto en el estudio de la transferencia electrónica fotoinducida como un proceso que tiene serias implicaciones en el desempeño energético de los dispositivos.