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La popularidad de las placas solares fotovoltaicas ha aumentado rápidamente en los últimos años, teniendo un impacto significativo en el mercado de la energía. Según la Asociación de Industrias de Energía Solar, las placas solares fotovoltaicas representó el 64% de las nuevas incorporaciones de capacidad eléctrica en los tres primeros meses de 2017. Se espera que crezca un 94% este año.
A medida que el uso de las placas solares fotovoltaicas se hace más frecuente, también lo hace la información sobre cómo se aprovecha y utiliza. Las placas solares fotovoltaicas, o solares, a menudo se pueden encontrar tanto en áreas comerciales como residenciales. ¿Cómo se fabrican estos paneles y qué materiales se utilizan para fabricarlos?
Silicio en placas solares fotovoltaicas
El silicio es el segundo elemento más común en la corteza terrestre. Según la Coalición Educación de los Minerales, no se encuentra puro en la naturaleza, sino combinado con oxígeno en rocas como obsidiana, granito y arenisca, en una forma conocida como sílice. Se puede extraer de cuarcita, mica y talco, pero la arena es su fuente de mineral más abundante.
Es el ingrediente principal de las placas solares fotovoltaicas.
El silicio de los paneles solares se fabrica mediante un proceso de reducción en el que la sílice se calienta con un material de carbono y se elimina el oxígeno, dejando un silicio de grado metalúrgico más puro.
En el proceso se calienta y funde la roca de polisilicio hasta formar un líquido blanco y caliente, y luego vuelve a fundir el silicio fundido en un único cristal gigante en el que todos los átomos están perfectamente alineados en la estructura y orientación deseadas.
Materia prima de las placas solares fotovoltaicas
La magia comienza con unas 250 libras de rocas de polisilicio cuidadosamente apiladas en un crisol de cuarzo. El único otro ingrediente es un disco de silicio impregnado con una pequeña cantidad de boro. La adición del dopante de boro asegura que el cristal resultante tendrá una orientación eléctrica potencial positiva. El crisol está encapsulado en gruesas paredes de grafito aislante y encerrado en un horno cilíndrico.
Fusión del silicio
A medida que el horno de cristal se calienta a temperaturas que oscilan alrededor de los 2.500 grados Fahrenheit, su contenido de silicio se funde en una lechada brillante. Una vez que los monitores computarizados registran la temperatura y las condiciones atmosféricas correctas, comienza la alquimia. Un cristal de semilla de silicio, colgado de un cable estrecho conectado a un dispositivo rotativo en la parte superior del horno, se baja lentamente en la masa fundida es un proceso delicado a la hora de fabricar las placas solares fotovoltaicas.
Crecimiento de las placas solares fotovoltaicas
El crisol comienza a girar y el cristal de semillas comienza a girar en la dirección opuesta. El fundido de silicona se congela en el cristal de semillas, igualando la estructura cristalina de la semilla. El cristal crece, el cable y la semilla ascienden lentamente, y el cristal se alarga a un ancho controlado. A medida que el crecimiento agota la lechada de silicio, el crisol también se eleva, es un proceso esencial para las placas solares fotovoltaicas.
Proceso de refrigeración
Adelántese unos 2,5 días desde que el crisol fue cargado con polisilicio: Después de horas de enfriamiento a aproximadamente 300 grados Fahrenheit, la campana del horno y el elevador de eje se alejan de la carcasa del crisol, giran lentamente hacia un lado y revelan un cristal cilíndrico largo completo, listo para pasar al segundo paso y a la siguiente sala de producción.
Corte y forma de las placas solares fotovoltaicas
En primer lugar, una sierra corta la llamada parte superior y la cola del cristal, de modo que permanece un cristal de anchura uniforme. Típicamente, las sierras para las laminas trepan un alambre delgado con un líquido abrasivo a través de la superficie del cristal. Abajo, una máquina montada con una hoja gigante de acero en forma de dona hace el corte.
Las sierras de alambre también cortan el cristal en lingotes que miden 2 pies o menos. Los soportes de acero se montan en los extremos de estos lingotes para el siguiente paso.
Los lingotes montados se colocan de pie sobre un extremo en una cremallera que soporta 16 lingotes a la vez dentro de otra máquina de corte de alambre. Allí, el alambre que corre en una configuración en celosía desciende sobre los lingotes para cizallar cuatro segmentos redondeados, dejando los lados planos. El resultado: Los lingotes tienen ahora una sección transversal cuadrada, excepto en las esquinas redondeadas, casi en su forma final en la elaboración de las placas solares fotovoltaicas.
Rebanado de laminas
La siguiente sierra de alambre es aún más intrincada. Un alambre enrollado cientos de veces entre dos tambores cilíndricos forma una red de segmentos paralelos y bien espaciados. A medida que el alambre se desenrolla a través de la máquina, los lingotes montados lateralmente sobre soportes de vidrio y metal se presionan de dos en dos a través de la banda de alambre, cortándolos en el grosor de tarjetas de visita delgadas. Cada milímetro de cristal produce aproximadamente 2 1/2 laminas.
Estos cortes les da la forma clásica de las placas solares fotovoltaicas parecidas a microchips, Separadas de sus soportes, las laminas se cargan en soportes, o barcos, para su transporte al siguiente paso.
Conversión de laminas en células
En este punto, una lamina no es más capaz de producir electricidad. La lamina es el principal componente de una célula fotovoltaica, pero hasta ahora sus únicas características notables son su estructura cristalina y su orientación potencial positiva. Todo esto cambia en la tercera fase, de varios pasos, de la producción de placas solares fotovoltaicas.
Grabado de laminas
En la única fase que requiere una sala limpia designada, una serie de intrincados tratamientos químicos y térmicos convierten las laminas grises en células azules productivas. Un grabado de textura, por ejemplo, elimina una pequeña capa de silicio, basándose en la estructura cristalina subyacente para revelar un patrón irregular de pirámides. La superficie de las pirámides -tan pequeñas que son invisibles a simple vista- absorbe más luz, dando así unas placas solares fotovoltaicas casi listas.
Difusión de placas solares fotovoltaicas
A continuación, las laminas se trasladan en cartuchos a cámaras largas, cilíndricas, en forma de horno, en las que el fósforo se difunde en una capa delgada de la superficie de la lamina. La impregnación a nivel molecular ocurre cuando la superficie de la oblea está expuesta a gas de fósforo a alta temperatura, un paso que le da a la superficie una orientación eléctrica potencial negativa. La combinación de esa capa y la capa dopada con boro que se encuentra debajo crea una unión positiva-negativa, o P/N, una partición crítica en el funcionamiento de una célula fotovoltaica.
Colorear e Imprimir
Las florecientes células, todavía de color gris, se mueven en bandejas a cámaras de vacío pesadas donde se deposita nitruro de silicio azul-púrpura en la parte superior. El recubrimiento con nitruro de silicio, otro miembro más de la familia de materiales de silicio, está diseñado para reducir aún más la reflexión en el extremo azul denso en energía del espectro de luz. Deja las células con su color final oscuro. Ya pueden reunir fotones y producir electricidad de manera óptima.
Pero, carecen de cualquier mecanismo para recoger y reenviar la energía.
Así, en una serie de pasos serigrafiados, los metales se imprimen en ambos lados de la célula, añadiendo «dedos» de rayas de alfiler y circuitos de barra de bus. Nace unas placas solares fotovoltaicas que funciona, sólo se necesita la luz del sol.
Conexión de células en paneles solares
Cada fase de producción depende de procesos con sabores propios. El control cuidadoso de la calefacción y el enfriamiento domina el crecimiento del cristal. La lamina emplea abrasión y corte. La producción de células se concentra en la química. Cualquier proceso de fábrica estaría incompleto sin un paso final de ensamblaje, y en PV dicho paso se conoce como modulación.
Soldadura de placas solares fotovoltaicas
La fabricación de módulos es un proceso altamente automatizado, que se basa en una robusta robótica de acero para llevar a cabo la elevación cada vez más pesada del ensamblaje de las placas solares fotovoltaicas ligeras en módulos de alrededor de 45 libras cada uno. Cada herramienta robótica trabaja dentro de una valla de seguridad que, por diseño, excluye a las personas, es una tecnica muy precisa y la posibilidad de errores es casi nula.
En primer lugar, las células se sueldan juntas en cadenas de 10, utilizando un patrón de conectores metálicos por encima y por debajo para unir las células. Seis cuerdas están dispuestas para formar una matriz rectangular de 60 celdas. Cada matriz se lamina sobre vidrio.
Enmarcando del las placas solares fotovoltaicas
Para convertirse en un módulo, sin embargo, cada laminado requiere no sólo un marco para proporcionar protección contra el clima y otros impactos, sino también una caja de empalmes para permitir conexiones entre módulos o con un conducto conectado a un inversor. Los robots también los colocan.
Inspección y Envío
La limpieza e inspección cuidadosas proporcionan los toques finales antes de que cada módulo pueda ser empacado para su entrega a hogares y negocios.
