En 2023, el mundo se ha esforzado por adoptar fuentes de energía más sostenibles y reducir su dependencia de los combustibles fósiles. Como resultado, las energías renovables son cada vez más populares. De hecho, la empresa internacional de contabilidad BDO Global predice que, para 2024, casi el 33% de la electricidad mundial se producirá a partir de fuentes renovables.
La energía solar, en particular, es una de las opciones de energía limpia más prometedoras, y su uso está creciendo rápidamente en todo el mundo. Algunas fuentes informan de que la energía solar representa ya más de la mitad de la nueva capacidad de generación en Estados Unidos.
En este contexto, es importante familiarizarse con los paneles solares. Uno de los hechos más sorprendentes sobre ellos es que en realidad están hechos de arena. Pero, ¿cómo se transforma la arena en paneles solares?
Aquí tiene todo lo que necesita saber sobre la ingeniería que hay detrás de la tecnología fotovoltaica de silicio.
El papel de la arena en el proceso de fabricación de paneles solares
La arena es una de las principales materias primas en la producción de paneles solares.
A diferencia de otras materias primas, la arena es bastante común y está ampliamente disponible en la mayor parte del mundo. Sin embargo, no es infinita. Según la CNBC, la arena es el recurso natural más consumido después del agua, y podría haber escasez de arena en breve.
Esto no se debe a la fabricación de paneles solares, sino a que el sector de la construcción tiene una gran demanda de arena. Al fin y al cabo, la arena se utiliza como árido fino en la producción de hormigón.
Figura 1. Arena en obras de construcción.
La arena es también una de las principales materias primas del cristal de nuestras ventanas y de las pantallas de nuestros smartphones y una de las materias primas de los chips de silicio de teléfonos, ordenadores y otros aparatos electrónicos.
La arena tiene varias propiedades que la hacen adecuada para todas estas aplicaciones:
- La arena está formada por granos, y estos granos pueden rellenar los huecos de las partículas de cemento, razón por la que se mezcla con grava para producir hormigón. La arena proporciona resistencia estructural al hormigón.
- El alto contenido de sílice de la arena le permite fundirse a altas temperaturas y formar un material de vidrio fundido. Cuando se enfría, el vidrio conserva su transparencia, permitiendo la transmisión de la luz, la protección y el aislamiento.
- La estructura cristalina del silicio, derivado de la arena, tiene propiedades semiconductoras únicas que permiten un alto control del flujo de corrientes eléctricas – razón por la cual el silicio está presente en los dispositivos electrónicos. Es un componente clave de diodos, transistores y circuitos.
Sin embargo, en la fabricación de paneles solares en particular, no vale cualquier arena. La arena utilizada debe tener un alto contenido en dióxido de silicio. Esto es importante porque el dióxido de silicio es la principal fuente de silicio y es esencial en la producción de obleas, como explicaremos a continuación.
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Primer paso: Extracción y refinado del sílice
Para construir paneles solares, la arena rica en sílice debe extraerse de yacimientos naturales, como minas de arena o canteras, donde la arena suele estar compuesta de cuarzo, una forma de sílice cristalina.
La arena se lava para eliminar impurezas como arcilla, materia orgánica y otros minerales. A continuación, se refina con métodos de procesamiento químico. Un método habitual es la lixiviación ácida, en la que la arena se mezcla con una solución ácida -como el ácido sulfúrico- para disolver las impurezas y separar la sílice.
Después, la sílice se calienta a altas temperaturas, normalmente en un horno, para eliminar cualquier materia orgánica residual y convertirla en sílice de gran pureza.
Segundo paso: Producción de polisilicio
La sílice de gran pureza es clave para producir polisilicio, también conocido como silicio policristalino. Esta forma de silicio de gran pureza se utiliza como materia prima para las células solares.
Para obtenerlo, se mezcla arena de cuarzo purificada con materiales ricos en carbono, como carbón o coque de petróleo. Después, la mezcla se expone a una corriente de gas cloro a altas temperaturas, formando triclorosilano (SiHCl3). Este proceso se denomina cloración.
Figura 2. Arena de cuarzo.
El triclorosilano, resultado de la cloración, se procesa posteriormente con técnicas de destilación y purificación. En el proceso de destilación, el triclorosilano se calienta para separarlo en sus componentes. El triclorosilano purificado se convierte de nuevo en silicio de gran pureza al reaccionar con gas hidrógeno (H2). El resultado de este proceso es el polisilicio.
La producción de polisilicio requiere estrictas medidas de aseguramiento de la calidad para garantizar los altos niveles de pureza necesarios para lograr un rendimiento óptimo de las células solares.
Tercer paso: Producción de lingotes y obleas de silicio
El polisilicio se funde en un crisol u horno en condiciones controladas. El polisilicio fundido se mantiene cuidadosamente a altas temperaturas para garantizar su uniformidad y consistencia.
A continuación, el polisilicio fundido se solidifica mediante un proceso de crecimiento de cristales conocido como método Czochralski (CZ). Se sumerge en el polisilicio fundido un cristal semilla, generalmente de un solo cristal de silicio de gran pureza, y se extrae lentamente mientras gira. A medida que el cristal semilla se eleva, forma un cilindro y arrastra el polisilicio fundido. Esta masa líquida se enfría en el proceso de solidificación direccional hasta formar un lingote de silicio multicristalino de grano grande.
(A veces se utiliza un proceso menos habitual, que consiste en utilizar compuestos gaseosos de silicio para depositar una fina capa de átomos de silicio sobre una plantilla cristalina en forma de oblea).
Figura 3. Lingotes de silicio.
A continuación, los lingotes de silicio se cortan mecánicamente en finas obleas circulares mediante técnicas de aserrado de precisión. Estas obleas suelen tener un grosor de 200-300 micrómetros y un diámetro de 150-200 milímetros. Las obleas más grandes, con diámetros de 300 milímetros o más, son aún más eficientes.
Las obleas cortadas deben someterse a varios procesos de tratamiento superficial para eliminar cualquier impureza, rugosidad o defecto. Esto incluye el grabado químico para eliminar daños mecánicos en la superficie de la oblea, el pulido con abrasivo de alúmina en una lapeadora para mejorar el paralelismo de la superficie, y la limpieza para garantizar que la superficie de la oblea esté lisa, limpia y optimizada para su posterior procesamiento.
A continuación, las obleas limpias e inspeccionadas se dopan con materiales específicos, como fósforo o boro, para crear distintas regiones con diferentes propiedades eléctricas.
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Tras el dopaje, las obleas se someten a un proceso de pasivación para mejorar su eficiencia y reducir la recombinación superficial. La pasivación consiste en depositar una fina capa de material aislante, como nitruro de silicio o dióxido de silicio, sobre la superficie de la oblea para minimizar la recombinación de electrones y huecos, mejorando así el rendimiento global de las células solares.
Las obleas producidas a partir de los lingotes de silicio sirven como bloques de construcción para las células solares individuales. Estas obleas se someten a una fabricación posterior, que incluye la aplicación de contactos, revestimientos antirreflectantes y otras capas esenciales, el encapsulado con encapsulantes de vidrio y polímero, y el laminado para transformarlas en células solares plenamente funcionales.
El panel acabado tiene un marco, un sellador de bordes y una caja de conexiones. También se tienden cables eléctricos, que transportan la corriente de un panel al siguiente.
Estas células solares interconectadas, encapsuladas y ensambladas forman módulos o paneles solares completos, que luego se instalan en viviendas y otros edificios.
Noticia tomada de: Interesting Engineering / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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