Optimización nanotecnológica de celdas fotovoltaicas basada en modelado numérico y simulación TCAD para el mejoramiento de los procesos de fabricación

Fortalecer las bases de la investigación básica y aplicada de la nanotecnología en la caracterización, diseño y optimización de celdas solares a través de la simulación numérica a partir del modelado TCAD, impulsando el desarrollo de esta tecnología

La creciente demanda de energía presenta desafíos ambientales a nivel mundial. Los elevados niveles de contaminación y emisiones de CO2 han provocado innegables cambios en los ecosistemas y en el clima. Esta problemática ha motivado a los gobiernos y a la comunidad científica a promover alternativas energéticas amigables con el medio ambiente, como el acuerdo de París y el protocolo de Kioto. Estas alternativas pretenden reducir la dependencia del petróleo y los crecientes niveles del carbono atmosférico. La energía solar se presenta como una alternativa viable para la producción de energía térmica y energía fotovoltaica. Esta fuente de energía es considerada inagotable debido a la naturaleza y magnitud del sol. La energía solar fotovoltaica (PV) es una tecnología capaz de convertir la inagotable energía solar en electricidad empleando las propiedades electrónicas de materiales semiconductores. Este recurso representa una alternativa prometedora e inteligente de suministro de energía limpia, renovable y accesible a todos los estratos sociales. Este proyecto propone el desarrollo de un laboratorio científico para el estudio y diseño nanotecnológico de celdas solares a través de la simulación numérica de su estructura y componentes a partir del modelado TCAD*, denominado LABDYS (Laboratorio de Diseño y Simulación). Hoy en día, este tipo de modelado representa una poderosa herramienta para el análisis, diseño y fabricación de dispositivos fotovoltaicos. De hecho, el uso de un modelo TCAD adecuadamente calibrado proporciona una visión realista, permite investigar el comportamiento de las células solares de forma fiable y detallada, así como identificar las estrategias de optimización adecuadas para mejorar la conversión de eficiencia del dispositivo, reduciendo a la vez, costos, tiempo de prueba y de producción [1]. Según la Agencia Internacional de Energía (IEA) después del primer cuarto del siglo XXI, se espera que la demanda de energía mundial aumente en un 50% cada 10 años hasta el 2050. Esta realidad proyecta un escenario en el cual existe una estrecha relación entre el alarmante aumento de emisiones CO2 y el agotamiento de las fuentes de energía convencionales (particularmente carbón, petróleo y gas). Sin embargo, los combustibles fósiles se mantendrán en la producción de electricidad de carga-base, trabajando en conjunto con fuentes de energía renovable hasta el año 2030, y regulados por las políticas de objetivos de Europa 2020 [2]. Sin embargo, países líderes en el desarrollo tecnológico como China, Estados Unidos, Alemania, India, Rusia y Japón, están realizando esfuerzos para reemplazar el uso de combustibles fósiles por energías limpias y renovables, sobresaliendo así la utilización de la energía solar. Tal es el caso de China, que por razones geopolíticas y medioambientales ha encontrado en este inagotable recurso, una oportunidad para extender su influencia, y así mejorar la salud de sus habitantes en ciudades que a la fecha tienen altos niveles de contaminación [3]. Desde el punto de vista medio ambiental, nuestra propuesta plantea la utilización de una fuente de energía inagotable y de la cual Panamá puede obtener grandes beneficios, debido a que, debido a nuestra posición geográfica, dicha fuente de energía está presente en el istmo en prácticamente todo el año y en gran cantidad de horas al día y un periodo diario muy frecuente, lo cual no ocurre en todas las latitudes. Por lo tanto, nuestra propuesta busca el aprovechamiento de estos recursos con los cuales cuenta la región y que actualmente no están siendo totalmente utilizados. El desarrollo de este proyecto representa una oportunidad para Panamá, ya que se incursionará en el creciente campo de estudio, investigación y desarrollo de proyectos nanotecnológicos orientados al área fotovoltaica. Todo esto con el objetivo principal de capacitar a jóvenes estudiantes, docentes e investigadores en el área científica y promover avances en el diseño de celdas solares basadas en modelado numérico TCAD que contribuya a la calidad de fabricación de las obleas. A su vez, este proyecto permitirá establecer vínculos con universidades y centros de investigación en América y Europa que nos apoyarán en el análisis de arquitecturas innovadoras, caracterización de materiales, metodologías y procesos para el mejoramiento, modelado, y optimización óptica y eléctrica del dispositivo fotovoltaico. Tareas que actualmente no se han logrado ejecutar en nuestros laboratorios de la UTP por la falta de equipamiento tecnológico, insumos científicos y capacitación adecuada. Los resultados de esta investigación serán objeto del desarrollo de productos científicos. Se ha programado la publicación de un artículo científico indexado, la oportunidad de realizar tesis de grado a los estudiantes que se involucren en el desarrollo de este proyecto, y una presentación en una conferencia nacional y/o internacional. A su vez, los estudios realizados en el proyecto servirán para mostrar la capacidad de las herramientas de simulación a estudiantes de pregrado y postgrado. Esto con el fin de promover la investigación científica y el desarrollo tecnológico en la comunidad universitaria. Como parte de este proyecto, se ha gestionado la colaboración de notables y experimentados grupos de investigación de distintos países y cuyos líderes o jefes de grupos son los siguientes: Dr. Felice Crupi y Raffaele De Rose, Centro de investigación DIMES (Departamento de Ingeniería, Modelado, Electrónica y Sistemas), Università Della Calabria, Italia; Dra. Elida de Obaldía, Universidad de Dallas, Texas, Estados Unidos; Dr. Marco Guevara, Escuela Superior Politécnica de Chimborazo y el Mgtr. César Palacios, Universidad Nacional de Chimborazo, Rep. De Ecuador.