Célula solar

Antecedentes

Las células solares fotovoltaicas son discos delgados de silicio que convierten la luz solar en electricidad. Estos discos actúan como fuentes de energía para una amplia variedad de usos, que incluyen:calculadoras y otros dispositivos pequeños; telecomunicaciones; paneles de techo en casas individuales; y para iluminación, bombeo y refrigeración médica para aldeas de países en desarrollo. Las células solares en forma de grandes conjuntos se utilizan para alimentar satélites y, en casos raros, para proporcionar electricidad a centrales eléctricas.

Cuando comenzó la investigación sobre la electricidad y se estaban fabricando y estudiando baterías simples, la investigación sobre la electricidad solar siguió asombrosamente rápido. Ya en 1839, Antoine-Cesar Becquerel expuso una batería química al sol para verlo producir voltaje. Esta primera conversión de luz solar en electricidad fue un uno por ciento eficiente. Es decir, el uno por ciento de la luz solar entrante se convirtió en electricidad. Willoughby Smith en 1873 descubrió que el selenio era sensible a la luz; en 1877 Adams y Day notaron que el selenio, cuando se expone a la luz, produce una corriente eléctrica. Charles Fritts, en la década de 1880, también usó selenio recubierto de oro para hacer la primera celda solar, nuevamente con solo un uno por ciento de eficiencia. Sin embargo, Fritts consideró que sus células eran revolucionarias. Imaginó que la energía solar gratuita sería un medio de descentralización, prediciendo que las células solares reemplazarían las plantas de energía con residencias alimentadas individualmente.

Con la explicación de Albert Einstein en 1905 del efecto fotoeléctrico (el metal absorbe energía de la luz y retendrá esa energía hasta que le llegue demasiada luz), la esperanza se disparó nuevamente de que la electricidad solar con eficiencias más altas sería factible. Sin embargo, se avanzó poco hasta que la investigación sobre diodos y transistores proporcionó el conocimiento necesario para que los científicos de Bell Gordon Pearson, Darryl Chapin y Cal Fuller produjeran una celda solar de silicio con una eficiencia del cuatro por ciento en 1954.

El trabajo adicional llevó la eficiencia de la celda hasta un 15 por ciento. Las células solares se utilizaron por primera vez en la ciudad rural y aislada de Americus, Georgia, como fuente de energía para un sistema de retransmisión telefónica, donde se utilizó con éxito durante muchos años.

Aún no se ha desarrollado un tipo de celda solar para satisfacer completamente las necesidades de energía doméstica, pero las celdas solares han tenido éxito en el suministro de energía para satélites artificiales. Los sistemas de combustible y las baterías normales pesaban demasiado en un programa en el que cada gramo importaba. Las células solares proporcionan más energía por onza de peso que todas las demás fuentes de energía convencionales y son rentables.

Solo se han establecido unos pocos sistemas de energía fotovoltaica a gran escala. La mayoría de los esfuerzos se centran en proporcionar tecnología de células solares a lugares remotos que no tienen otros medios de energía sofisticada. Aproximadamente 50 megavatios se instalan cada año, sin embargo, las células solares solo proporcionan aproximadamente. El 1 por ciento de toda la electricidad que se produce ahora. Los partidarios de la energía solar afirman que la cantidad de radiación solar que llega a la superficie de la Tierra cada año podría satisfacer fácilmente todas nuestras necesidades energéticas varias veces, sin embargo, las células solares tienen un largo camino por recorrer antes de cumplir el sueño de Charles Fritts de electricidad solar gratuita y totalmente accesible. .

Materias primas

El componente básico de una célula solar es el silicio puro, que no es puro en su estado natural. Para fabricar células solares, las materias primas (dióxido de silicio de grava de cuarcita o cuarzo triturado) se colocan primero en un horno de arco eléctrico, donde se aplica un arco de carbón para liberar el oxígeno. Los productos son dióxido de carbono y silicio fundido. En este punto, el silicio todavía no es lo suficientemente puro para ser utilizado en células de solor y requiere una mayor purificación. El silicio puro se deriva de dióxidos de silicio como la grava de cuarcita (la sílice más pura) o el cuarzo triturado. El silicio puro resultante se dopa (trata) con fósforo y boro para producir un exceso de electrones y una deficiencia de electrones, respectivamente, para hacer un semiconductor capaz de conducir electricidad. Los discos de silicio son brillantes y requieren un revestimiento antirreflectante, generalmente dióxido de titanio.

El módulo solar consta de un semiconductor de silicio rodeado de material protector en un marco de metal. El material protector consiste en un encapsulante de caucho de silicona transparente o plástico de butirilo (comúnmente utilizado en parabrisas de automóviles) unidos alrededor de las células, que luego se incrustan en etileno acetato de vinilo. Una película de poliéster (como mylar o tedlar) forma el respaldo. Se encuentra una cubierta de vidrio en las matrices terrestres, una cubierta de plástico liviano en las matrices de satélites. Las partes electrónicas son estándar y consisten principalmente en cobre. El marco es de acero o aluminio. El silicio se utiliza como cemento para unirlo todo.

El
proceso de fabricación

Purificando el silicio

• 1 El dióxido de silicio de la grava de cuarcita o el cuarzo triturado se coloca en un horno de arco eléctrico. Luego se aplica un arco de carbón para liberar el oxígeno. Los productos son dióxido de carbono y silicio fundido. Este sencillo proceso produce silicio con un uno por ciento de impureza, útil en muchas industrias, pero no en la de las células solares.
• 2 El 99 por ciento de silicio puro se purifica aún más utilizando la técnica de la zona flotante. Una varilla de silicio impuro se pasa a través de una zona calentada varias veces en la misma dirección. Este procedimiento "arrastra" las impurezas hacia un extremo con cada pasada. En un punto específico, el silicio se considera puro y se elimina el extremo impuro.

Fabricación de silicio monocristalino

• 3 Las células solares están hechas de bolas de silicio, estructuras policristalinas que tienen la estructura atómica de un solo cristal. El proceso más utilizado para crear la bola se llama método Czochralski. En este proceso, un cristal semilla de silicio se sumerge en silicio policristalino fundido. A medida que el cristal semilla se retira y gira, se forma un lingote cilíndrico o "bola" de silicio. El lingote extraído es inusualmente puro, porque las impurezas tienden a permanecer en el líquido.

Fabricación de obleas de silicio

• 4 De la bola, las obleas de silicona se cortan una a la vez usando una sierra circular cuyo diámetro interior corta en la varilla, o muchas a la vez con una sierra de alambre múltiple. (Una sierra de diamante produce cortes que son tan anchos como la oblea -. 5 milímetros de grosor). Solo aproximadamente la mitad del silicio se pierde de la bola a la oblea circular terminada; más si la oblea se corta luego para que sea rectangular o hexagonal. Las obleas rectangulares o hexagonales se utilizan a veces en las células solares porque se pueden unir perfectamente, utilizando así todo el espacio disponible en la superficie frontal de la célula solar. Después de la purificación inicial, el silicio se refina aún más en un proceso de zona flotante. En este proceso, se pasa una varilla de silicio a través de una zona calentada varias veces, lo que sirve para "arrastrar" las impurezas hacia un extremo de la varilla. El extremo impuro se puede quitar.
  A continuación, se coloca un cristal semilla de silicio Se coloca en un aparato de crecimiento Czochralski, donde se sumerge en silicio policristalino fundido. El cristal semilla gira a medida que se retira, formando un lingote cilíndrico de silicio muy puro. A continuación, se cortan las obleas del lingote.
• 5 A continuación, se pulen las obleas para eliminar las marcas de sierra. (Recientemente se ha descubierto que las células más rugosas absorben la luz con mayor eficacia, por lo que algunos fabricantes han optado por no pulir la oblea).

Dopaje

• 6 La forma tradicional de dopar (agregar impurezas a) las obleas de silicio con boro y fósforo es introducir una pequeña cantidad de boro durante el proceso de Czochralski en el paso 3 anterior. Luego, las obleas se sellan espalda con espalda y se colocan en un horno para calentarlas ligeramente por debajo del punto de fusión del silicio (2.570 grados Fahrenheit o 1.410 grados Celsius) en presencia de gas fósforo. Los átomos de fósforo "excavan" en el silicio, que es más poroso porque está a punto de convertirse en líquido. La temperatura y el tiempo que se le da al proceso se controlan cuidadosamente para garantizar una unión uniforme con la profundidad adecuada.

  Una forma más reciente de dopar silicio con fósforo es usar un pequeño acelerador de partículas para disparar iones de fósforo en el lingote. Controlando la velocidad de los iones, es posible controlar su profundidad de penetración. Sin embargo, este nuevo proceso generalmente no ha sido aceptado por los fabricantes comerciales.

Colocación de contactos eléctricos

• 7 contactos eléctricos conectan cada celda solar a otra y al receptor de corriente producida. Los contactos deben ser muy delgados (al menos en la parte frontal) para no bloquear la luz solar a la celda. Los metales como paladio / plata, níquel o cobre se evaporan al vacío. Esta ilustración muestra la composición de una célula solar típica. Las células se encapsulan en etileno acetato de vinilo y se colocan en un marco de metal que tiene una lámina posterior de mylar y una cubierta de vidrio. a través de un fotorresistente, serigrafiado o simplemente depositado en la parte expuesta de las células que se han cubierto parcialmente con cera. Los tres métodos implican un sistema en el que se protege la parte de la celda en la que no se desea un contacto, mientras que el resto de la celda se expone al metal.
• 8 Una vez que los contactos están en su lugar, se colocan tiras delgadas ("dedos") entre las células. Las tiras más utilizadas son las de cobre estañado.

El revestimiento antirreflectante

• 9 Debido a que el silicio puro es brillante, puede reflejar hasta un 35 por ciento de la luz solar. Para reducir la cantidad de luz solar perdida, se coloca una capa antirreflectante sobre la oblea de silicio. Los recubrimientos más utilizados son el dióxido de titanio y el óxido de silicio, aunque se utilizan otros. El material utilizado para el recubrimiento se calienta hasta que sus moléculas se evaporan y viajan al silicio y se condensan, o el material se somete a pulverización catódica. En este proceso, un alto voltaje golpea las moléculas del material y las deposita sobre el silicio en el electrodo opuesto. Otro método más consiste en permitir que el propio silicio reaccione con gases que contienen oxígeno o nitrógeno para formar dióxido de silicio o nitruro de silicio. Los fabricantes comerciales de células solares utilizan nitruro de silicio.

Encapsulando la celda

• 10 A continuación, se encapsulan las células solares terminadas; es decir, sellada en caucho de silicona o etileno acetato de vinilo. Las células solares encapsuladas se colocan luego en un marco de aluminio que tiene una lámina posterior de mylar o tedlar y una cubierta de vidrio o plástico.

Control de calidad

El control de calidad es importante en la fabricación de células solares porque la discrepancia en los muchos procesos y factores puede afectar negativamente la eficiencia general de las células. El objetivo principal de la investigación es encontrar formas de mejorar la eficiencia de cada celda solar durante una vida útil más larga. El Proyecto de matriz solar de bajo costo (iniciado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos a fines de la década de 1970) patrocinó una investigación privada que tenía como objetivo reducir el costo de las células solares. El silicio en sí se prueba para determinar su pureza, orientación del cristal y resistividad. Los fabricantes también prueban la presencia de oxígeno (que afecta su fuerza y ​​resistencia a la deformación) y carbono (que causa defectos). Los discos de silicona terminados se inspeccionan para detectar cualquier daño, descamación o flexión que pueda haber ocurrido durante el aserrado, pulido y grabado.

Durante todo el proceso de fabricación del disco de silicio, la temperatura, la presión, la velocidad y las cantidades de dopantes se controlan continuamente. También se toman medidas para garantizar que las impurezas en el aire y en las superficies de trabajo se mantengan al mínimo.

Los semiconductores terminados deben luego someterse a pruebas eléctricas para ver que la corriente, el voltaje y la resistencia de cada uno cumplen con los estándares apropiados. Un problema anterior con las células solares era la tendencia a dejar de funcionar cuando estaban parcialmente sombreadas. Este problema se ha aliviado proporcionando diodos de derivación que reducen peligrosamente altos voltajes a la celda. Luego, debe probarse la resistencia en derivación utilizando uniones parcialmente sombreadas.

Una prueba importante de los módulos solares implica proporcionar a las células de prueba las condiciones y la intensidad de la luz que encontrarán en condiciones normales y luego verificar que funcionen bien. Las celdas también se exponen al calor y al frío y se prueban contra vibraciones, torsiones y granizo.

La prueba final para los módulos solares es la prueba de campo, en la que los módulos terminados se colocan donde realmente se utilizarán. Esto proporciona al investigador los mejores datos para determinar la eficiencia de una celda solar en condiciones ambientales y la vida útil efectiva de la celda solar, los factores más importantes de todos.

El futuro

Teniendo en cuenta el estado actual de las células solares relativamente caras e ineficientes, el futuro solo puede mejorar. Algunos expertos predicen que será una industria de mil millones de dólares para el año 2000. Esta predicción está respaldada por la evidencia de que se están desarrollando más sistemas fotovoltaicos de techo en países como Japón, Alemania e Italia. Se han establecido planes para comenzar la fabricación de células solares en México y China. Asimismo, Egipto, Botswana y Filipinas (los tres asistidos por empresas estadounidenses) están construyendo plantas que fabricarán células solares.

La mayoría de las investigaciones actuales apuntan a reducir el costo de las células solares o aumentar la eficiencia. Las innovaciones en la tecnología de células solares incluyen el desarrollo y la fabricación de alternativas más económicas a las costosas células de silicio cristalino. Estas alternativas incluyen ventanas solares que imitan la fotosíntesis y células más pequeñas hechas de pequeñas bolas de silicio amorfo. El silicio amorfo y el silicio policristalino ya están ganando popularidad a expensas del silicio monocristalino. Innovaciones adicionales que incluyen minimizar la sombra y enfocar la luz solar a través de lentes prismáticos. Se trata de capas de diferentes materiales (en particular, arseniuro de galio y silicio) que absorben la luz a diferentes frecuencias, aumentando así la cantidad de luz solar que se utiliza eficazmente para la producción de electricidad.

Algunos expertos prevén la adaptación de casas híbridas; es decir, casas que utilizan calentadores de agua solares, calefacción solar pasiva y celdas solares para reducir las necesidades de energía. Otro punto de vista se refiere al transbordador espacial que coloca cada vez más paneles solares en órbita, un satélite de energía solar que transmite energía a las granjas de paneles solares de la Tierra e incluso a una colonia espacial que fabricará paneles solares para ser utilizados en la Tierra.