Se puede decir que el primer gran éxito de la energía solar fotovoltaica ocurrió en el espacio. En el año 1958 el satélite Vanguard I –el tercer ingenio humano puesto en órbita terrestre tras los Sputnik 1 y 2– iba equipado con unos modestos paneles solares recubriendo pequeñas partes de su cuerpo esférico. Esto ocurrió a pesar del escepticismo de la US Navy, la encargada de fabricar el satélite, que no creía en esta incipiente tecnología que acababa de nacer en los Laboratorios Bell en el año 1954. Fue la insistencia del científico Hans K. Ziegler, la que consiguió montar paneles solares en el Vanguard I, lo que al postre supuso el éxito del proyecto, abriendo así el primer mercado sostenido para la industria fotovoltaica. Ziegler predijo que en el espacio las baterías químicas que la US Navy quería montar fallarían a las pocas semanas mientras que las células solares serían capaces de proporcionar potencia eléctrica durante años. Pues bien, la realidad obedeció fielmente las predicciones del Dr. Ziegler y la batería murió a las dos semanas del lanzamiento mientras que un puñado de bisoñas células solares funcionaron fiablemente durante 6 años, salvando un proyecto de decenas de millones de dólares y la honra del programa espacial estadounidense.
Durante los años 60, el uso recurrente de células solares en la carrera espacial permitió el crecimiento y consolidación de una tecnología cuyos progresos en eficiencia y fiabilidad no han parado de aumentar desde entonces. Hoy, más de 60 años después, las células solares siguen constituyendo la principal fuente de energía en la práctica totalidad de los satélites que orbitan la tierra y también para muchas misiones interplanetarias a los planetas interiores. Obviamente, las células que se montan hoy en los generadores fotovoltaicos espaciales han evolucionado mucho desde los tempranos días de la carrera espacial. Del modesto 10% de eficiencia y 1 W de potencia pico que ofrecían las células de silicio del Vanguard I, hemos pasado a la tecnología espacial actual con arrays de decenas de kW que usan células solares multiunión con eficiencias del 30%.
Las células solares espaciales utilizan materiales novedosos en configuraciones complejas para lograr las máximas prestaciones en un entorno muy agresivo como es el espacio exterior. Esto resulta posible ya que el coste de los paneles solares nunca fue –hasta ahora–un factor determinante para la industria espacial. Los fabricantes siempre han perseguido lograr mayor fiabilidad, longevidad, eficiencia y menor peso, pasando el coste –cuantificado en €/W– a ser una métrica secundaria. Y es que el precio del generador fotovoltaico representa muy poco comparado con los costes de desarrollo, cualificación, lanzamiento y operación de satélites artificiales. Obviamente, la ausencia de fuertes restricciones económicas ha permitido a la industria espacial contar siempre con lo mejor y más avanzado de la tecnología fotovoltaica, que hoy se encuentra encarnado en las células solares multiunión de semiconductores III-V.
Para entender por qué son mejores las células multiunión actuales que las antiguas células de silicio conviene recordar que la luz solar está constituida por ondas electromagnéticas de diferente frecuencia o, dicho de forma más llana, de rayos de diferente color. En otras palabras, la luz del sol que percibimos como blanca está en realidad compuesta de la suma de ondas de diferentes colores, algunos visibles (azul, verde, amarillo, rojo) y otros invisibles para nuestros ojos (ultravioleta, o infrarrojo). Entonces, el trabajo de una célula solar no es sino convertir potencia luminosa distribuida en rayos de diferentes colores en potencia eléctrica. Llegados a este punto ya solo falta considerar la idea de que, para realizar cualquier trabajo, siempre es mejor contar con varios especialistas que con un generalista. En términos fotovoltaicos una célula solar de silicio es un generalista ya que tiene que convertir de manera razonablemente eficiente todos los colores del espectro solar. Sin embargo, una célula multiunión es una asociación de especialistas o, expresado con más rigor, un apilamiento de varias células solares cada una de ellas especializada en un rango concreto de colores del espectro solar. Por ejemplo, en la tecnología más extendida en la actualidad en aplicaciones espaciales se trabaja con células solares de triple unión de GaInP/GaAs/Ge. El primer material (GaInP o fosfuro de galio e indio) conforma una célula especializada en convertir con la máxima eficiencia los azules, verdes y amarillos del espectro, siendo trasparente al resto; el segundo material (GaAs o arseniuro de galio) constituye una célula solar muy eficiente transformando los rojos e infrarrojo cercano. Por último, el infrarrojo restante alcanza la tercera célula (de germanio) donde parte se aprovecha y el resto se pierde en forma de calor. En definitiva, una célula solar multiunión no es más que llevar al terreno fotovoltaico el clásico adagio de divide y vencerás.
La descripción realizada permite entender por qué las células multiunión son más eficientes, pero también nos sugiere por qué son más caras al utilizar materiales exóticos y estructuras más complejas. Asimismo, también resulta directo comprender que el camino hacia mayores eficiencias pasa por incrementar el número de uniones (i.e. de especialistas). En este sentido, diversos laboratorios de investigación han presentado diseños de 5 y hasta 6 uniones y varias compañías del sector fotovoltaico espacial ofrecen ya en sus catálogos diseños de 4 uniones (AlGaInP/GaAs/InGaAs/Ge) que, tímidamente, empiezan a montarse en satélites de última generación.
Siendo esta la línea más evidente de progreso, el futuro del sector fotovoltaico espacial puede ser más diverso. La antigua idea de que para el espacio el coste del panel solar no es un factor determinante empieza a tambalearse. En los últimos daños la conservadora industria espacial se ha visto sacudida por la irrupción de nuevos conceptos de desarrollo muy rápido y económico (cubesats, nanosats, y grandes constelaciones como OneWeb o Starlink) para los cuales el coste de los paneles empieza a ser crítico. Por tanto, vuelven a estar de actualidad ideas antiguas como usar silicio en paneles espaciales o alternativas basadas en nuevos materiales de bajo coste como las perosvkitas.
En España existen compañías relevantes de producción de paneles solares para el espacio como la Malagueña DHV que precisamente ha crecido al calor de esta emergente comunidad del “New Space”. En cuanto a investigación, el Instituto de Energía Solar lleva más de 20 años trabajando en células solares multiunión, siendo uno de los centros más reconocidos de Europa en este ámbito y habiendo producido récords del mundo en esta tecnología.
