Diodos de derivación integrados en la célula para módulos fotovoltaicos de silicio con contacto trasero, alta eficiencia y tolerancia a sombras

Paneles solares más seguros para tejados cotidianos

Se espera que los paneles solares instalados en tejados generen electricidad de forma silenciosa durante décadas, pero en la vida real se ven cubiertos por hojas, nieve, chimeneas y edificios cercanos. Incluso pequeños parches de sombra pueden privar a un panel de potencia y, lo que es más preocupante, crear puntos calientes peligrosos que pueden dañar el equipo. Este artículo explora un nuevo tipo de célula solar de silicio que incorpora una función de seguridad directamente dentro de cada célula, haciendo que los paneles sean a la vez más eficientes y mucho más tolerantes al sombreado cotidiano.

Por qué la sombra es un problema tan grave

Un panel solar no es un único dispositivo sino una cadena de muchas células conectadas entre sí. Cuando una célula queda a la sombra, su corriente eléctrica cae, mientras que el resto de las células iluminadas siguen empujando corriente a través de ella. La célula sombreada se ve entonces forzada a un estado eléctrico llamado polarización inversa, en el que deja de actuar como fuente de energía y pasa a absorber potencia. El resultado puede ser un sobrecalentamiento severo en pequeñas regiones de la célula, conocidas como puntos calientes, que desperdician energía y, en casos extremos, pueden dañar o incluso prender fuego a partes del módulo. La protección estándar emplea componentes electrónicos adicionales llamados diodos de derivación conectados alrededor de grupos de células, pero instalar un diodo por cada célula sería demasiado voluminoso y costoso, y agrupar muchas células bajo un solo diodo solo ofrece protección parcial.

Convertir cada célula en su propia válvula de seguridad

Los autores proponen un rediseño ingenioso de las células solares de silicio con contacto trasero para que cada célula incluya su propio comportamiento de “derivación” integrado sin añadir componentes separados. En lugar de confiar en un diodo externo que rescate a muchas células, diseñan las capas en la cara trasera de la célula para crear muchos canales de conducción inversa diminutos repartidos por la superficie. Estos canales permanecen esencialmente apagados durante el funcionamiento normal, preservando la alta eficiencia, pero se activan cuando la célula se ve forzada a polarización inversa por el sombreado. En efecto, la célula gana una válvula de seguridad interna, proporcionando automáticamente una vía para que la corriente circule alrededor de las regiones en sombra antes de que se desarrollen tensiones peligrosas y puntos calientes.

Cómo funcionan los canales ocultos dentro de la célula

En el centro del diseño hay una combinación cuidadosamente apilada de materiales en la parte trasera de la oblea de silicio. Las células con contacto trasero ya sitúan los contactos positivo y negativo uno junto al otro en la cara posterior, separados por estrechas ranuras. El equipo aprovecha los bordes de estas ranuras para insertar capas delgadas solapadas que favorecen a los electrones en una zona y a los huecos (sus contrapartes positivas) en otra. Bajo polarización inversa, los electrones que entran en la célula sombreada viajan a través del silicio y se canalizan hacia estas regiones de solapamiento, donde el paisaje energético les permite “hacer tunelización” a través de la pila y reaparecer como corriente que puede ser evacuada de forma segura. Como pilas similares se repiten cientos de veces en la parte trasera de la célula, la corriente inversa se distribuye en lugar de concentrarse en un único punto débil. Simulaciones y mediciones muestran que estos canales diseñados se comportan como muchos diodos diminutos especialmente ajustados integrados directamente en la célula.

Mantener alto el rendimiento con la luz cotidiana

Cualquier vía adicional para la corriente corre el riesgo de convertirse en una fuga que desperdicie energía cuando la célula funciona con normalidad. Un logro clave de este trabajo es diseñar las capas apiladas de modo que conduzcan corriente sustancial solo cuando la célula es empujada a polarización inversa, pero contribuyan muy poco cuando la célula opera en su dirección directa habitual. El equipo analiza cómo se mueven electrones y huecos a través de las pilas en ambas condiciones y ajusta el espesor y las propiedades de los materiales para que el efecto de tunelización se atenúe gradualmente conforme la tensión directa se aproxima al punto de trabajo de la célula. Como resultado, dispositivos prototipo con la nueva estructura alcanzan una eficiencia de conversión de energía certificada del 27,49 %, a la par con las mejores células de silicio con contacto trasero, mientras siguen ofreciendo una fuerte conducción inversa cuando es necesaria.

Paneles más fríos y estables en condiciones realistas

Para probar si este rediseño microscópico marca una diferencia en el mundo real, los investigadores construyeron módulos solares completos usando sus nuevas células y los compararon con módulos convencionales bajo pruebas severas de sombreado. Cuando varias células estuvieron muy sombreadas, los módulos estándar desarrollaron regiones calientes que rápidamente alcanzaron unos 190 grados Celsius. Los módulos nuevos, en contraste, se estabilizaron cerca de 90 grados, con el calor más repartido y mucho menos puntos permanentemente dañados. En pruebas donde solo parte de una única célula quedó a la sombra, los módulos convencionales perdieron casi la mitad de su producción, incluso con diodos de derivación externos presentes. Los módulos que usan las nuevas células mostraron solo caídas de potencia modestísimas, demostrando que los canales integrados ayudan a mantener el flujo eléctrico más estable pese a la iluminación desigual.

Un paso hacia la energía solar más inteligente y resistente

Este trabajo demuestra que la protección frente al sombreado no tiene por qué venir de cableado extra y componentes fuera de la célula. Al entretejer el comportamiento de derivación en la propia estructura de la célula, los autores crean módulos solares que son a la vez muy eficientes y mucho más tolerantes a las sombras cotidianas, además de reducir potencialmente costes y complejidad. A medida que la energía solar se extiende por tejados concurridos y ciudades llenas de obstáculos y luz variable, estas células auto‑protectoras y resistentes al sombreado podrían hacer que los sistemas solares sean más seguros, duraderos y fiables para propietarios y compañías eléctricas por igual.

Cita: Tang, H., Li, Y., Lin, H. et al. In-cell bypass diodes for high-efficiency and shading-tolerant back contact silicon photovoltaic modules. Nat Commun 17, 3360 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70005-1

Palabras clave: células solares, sombreado parcial, silicio de contacto trasero, diodo de derivación, módulos fotovoltaicos