¿Cómo se fabrican los paneles solares fotovoltaicos? Del silicio a las células solares

A medida que el mundo avanza hacia fuentes de energía más sostenibles y respetuosas con el medio ambiente, la energía solar se ha convertido en una solución prometedora. De hecho, el aumento global de la energía solar fotovoltaica ha experimentado un fuerte crecimiento en los últimos veinte años. Durante este periodo de tiempo, ésta ha pasado de ser un sector especializado enfocado en usos de menor envergadura (como el abastecimiento de refugios de montaña o de viviendas sin acceso a la red eléctrica de los núcleos urbanos) a transformarse prácticamente en una fuente de energía eléctrica convencional. Esto se espera que vaya a más, a raíz del incremento del coste de la energía proveniente de otras fuentes, como el gas o el petróleo.

La generalización de la energía proveniente de la luz del sol ha tenido que ver, entre otros factores, con la fabricación de los paneles solares uq permiten generarla: la bajada del precio de los materiales como el silicio y los avances tecnológicos que han permitido una mejora de las técnicas de fabricación y de la eficiencia de estos instrumentos, de forma que con menos material se puede lograr más captación de energía. ¿Cómo se fabrican los paneles solares fotovoltaicos hoy en día? Lo explicaremos en este post, ya que comprender este proceso es crucial para promover la adopción de la energía solar, respaldar el crecimiento de la industria de las energías renovables y, en última instancia, ayudar a crear un futuro más sostenible para todos. Exploraremos cada paso y conoceremos el papel que desempeña la tecnología de presión y vacío en el proceso

¿Qué son los paneles solares o placas solares?

Los paneles solares son dispositivos esenciales en la transformación de la energía luminosa del sol en energía eléctrica. Lo hacen gracias al efecto fotovoltaico. Estos paneles o placas están compuestos por células solares, generalmente fabricadas de silicio, un material semiconductor, que captan la luz solar y generan una corriente eléctrica al permitir el movimiento de los electrones en el material. Los paneles solares fotovoltaicos se utilizan en sistemas de generación de energía solar para producir electricidad limpia y renovable, reduciendo la dependencia de los combustibles fósiles y disminuyendo las emisiones de gases de efecto invernadero.

¿Por qué ha aumentado el uso de la energía solar fotovoltaica?

Los paneles solares fotovoltaicos están hechos de silicio, un material semiconductor que puede convertir la luz solar en electricidad. El proceso de fabricación de estos dispositivos juega un papel crítico en el auge de su uso, dado que años atrás los materiales y las técnicas utilizadas, entre otros, daban lugar a problemas de eficiencia, impacto ambiental, calidad, etc. Las mejoras en el proceso de fabricación han permitido:

• Reducción de costes: hace dos décadas los paneles solares eran caros y poco accesibles, mientras que hoy en día es mucho más barato y fácil adquirir, instalar y mantener estos dispositivos y su instalación.
• Mejora de la eficiencia: uno de los problemas más invocados hace años por los partidarios de otras fuentes de energía era que se necesitaban muchos paneles (por lo tanto, mayor espacio e impacto vidual) para generar electricidad, algo que hoy ha cambiado drásticamente, gracias a las mejoras en la tecnología de células solares, la reducción de las pérdidas de energía y el aumento de la eficiencia del proceso de fabricación.
• Aumento de la durabilidad: los paneles solares de hoy en día son más duraderos y resistentes a las condiciones climáticas extremas, algo que hace 20 años no ocurría. Los fabricantes han mejorado la calidad de los materiales utilizados en la fabricación, lo que ha llevado a una mayor durabilidad y vida útil de estas placas.
• Uso de nuevos materiales: las células solares de película delgada son un ejemplo del desarrollo de nuevos materiales que se ha puesto en práctica en los últimos años para producir placas más baratas y más fáciles de producir que las células solares de silicio convencionales. Además, los nuevos materiales como la perovskita han demostrado tener una eficiencia muy alta y tienen el potencial de reducir aún más los costes de producción.
• Innovaciones en el diseño: se han realizado mejoras en el diseño de los paneles solares para que sean más estéticos y adaptables a diferentes tipos de edificios y así superar las reticencias de quienes les atribuyen un impacto visual muy elevado. También se han desarrollado paneles solares flexibles y portátiles, lo que aumenta su versatilidad.

¿Cómo están hechos los paneles solares fotovoltaicos?

El proceso de fabricación de paneles solares normalmente implica los siguientes pasos:

Producción de silicio

El silicio es el material más comúnmente utilizado en las células solares debido a su alta eficiencia y abundancia, ya que constituye aproximadamente el 28% de la corteza terrestre y cuando se expone a la luz solar, los electrones de sus átomos se excitan y pueden moverse libremente, creando una corriente eléctrica (proceso conocido como efecto fotovoltaico).

El primer paso en el proceso de fabricación de las placas solares fotovoltaicas, por lo tanto, es producir silicio puro, lo que se hace típicamente utilizando el proceso Siemens o el proceso FBR.

• El proceso Siemens o Martin-Siemens implica calentar materias primas como el cuarzo y el carbono en un horno a altas temperaturas para producir un silicio metalúrgico. El silicio se derrite y se solidifica en varillas o trozos, que luego se muelen hasta lograr un polvo fino.
• El proceso FBR (Fluidized Bed Reactor), por otro lado, implica el uso de un reactor de lecho fluidizado para producir un polvo de silicio de alta pureza directamente a partir de materias primas como el dióxido de silicio y el gas metano.

Purificación de silicio

El silicio metalúrgico producido en el primer paso contiene impurezas como boro, fósforo y hierro, que pueden reducir la eficiencia de la célula solar. Por eso el proceso de purificación busca eliminar estas impurezas.

• Para purificar el silicio metalúrgico tras el el proceso Siemens, éste se derrite y luego se enfría lentamente para formar un cristal único. Este proceso se llama proceso Czochralski. El cristal único luego se corta en láminas delgadas usando una sierra de hilo diamantado o un disco de diamante.
• Para purificar el silicio metalúrgico tras el proceso FBR, el polvo de silicio pasa por una serie de reacciones químicas para producir silicio de alta pureza.

Producción de obleas

El silicio purificado se corta en obleas delgadas usando una sierra de hilo o un disco de diamante. Las obleas suelen tener un grosor de alrededor de 200 micrómetros.

• En el proceso de la sierra de hilo, se utiliza un alambre diamantado recubierto de partículas de diamante para cortar el silicio en obleas. El alambre se alimenta continuamente a través del silicio, y las obleas se separan del material restante mediante una suspensión.
• En el proceso del disco de diamante, se utiliza una hoja de diamante para cortar el silicio en obleas. Las obleas se separan del material restante mediante un proceso llamado abrillantado y pulido.

Producción de células

Las obleas de silicio se procesan para crear células solares. Esto implica añadir dopantes (como boro y fósforo) para crear una unión p-n en el silicio, lo que permite que convierta la luz solar en electricidad. Luego se recubren las células con un material anti-reflectante para aumentar su eficiencia.

• El proceso de dopaje implica exponer las obleas de silicio a un gas que contiene los átomos dopantes. Los átomos dopantes difunden en el silicio, creando una unión p-n. La unión p-n permite la separación de electrones y huecos, lo que genera electricidad cuando se expone a la luz solar.
• El recubrimiento anti-reflectante está típicamente hecho de una capa delgada de dióxido de silicio o de titanio, lo que reduce la cantidad de luz solar reflejada de la superficie de la célula y aumenta la cantidad de luz solar absorbida.

Producción del módulo

Las células solares se ensamblan en un módulo, que típicamente consiste en múltiples células conectadas en serie y en paralelo. Luego, el módulo se encapsula en una capa protectora de vidrio o plástico, y se conecta a una caja de conexiones para permitir la transferencia de electricidad.

• Las células se conectan en serie y en paralelo para formar un panel solar que puede producir un voltaje y una corriente más altos. Las células se conectan típicamente utilizando un proceso de soldadura.
• El módulo se encapsula en una capa protectora de vidrio o plástico para protegerlo del ambiente. La capa de vidrio o plástico también ayuda a aumentar la eficiencia del módulo al reducir la cantidad de luz que es reflejada o absorbida por el módulo.
• La caja de conexiones se conecta a los cables del panel solar, lo que permite la transferencia de electricidad generada por las células solares a un inversor, que convierte la corriente continua generada por las células solares en corriente alterna que se puede usar para alimentar hogares y negocios.

Pruebas y control de calidad

Los paneles solares terminados se prueban para medir su rendimiento y durabilidad y garantizar que cumplan con los estándares de la industria.

• Los paneles solares se prueban para medir su salida eléctrica, eficiencia y durabilidad. También se someten a pruebas ambientales para garantizar que puedan soportar temperaturas extremas, humedad y otros factores ambientales.
• Se establecen medidas de control de calidad para garantizar que cada panel solar cumpla con los estándares requeridos. Esto incluye inspecciones de los materiales utilizados, del proceso de fabricación y del producto terminado.

Uso del vacío en el proceso de fabricación de paneles solares

Como ya hemos visto en otras publicaciones de nuestro blog, el vacío es una tecnología muy apreciada en procesos que requieren altas temperaturas, grandes cantidades de energía o ambientes controlados y libres de contaminantes, entre otros, y ya hemos explicado en este post, en el proceso de fabricación de paneles solares fotovoltaicos tienen lugar varios de estos procesos.

• Procesos como el Siemens y FBR para producir y purificar silicio involucran altas temperaturas y un uso elevado de energía, por lo que el uso de vacío es esencial para reducir esa necesidad y también para lograr un ambiente controlado libre de impurezas.
• Producir las obleas de silicio implica el corte con sierra de hilo diamantado y disco de diamante, que pueden producir contaminación y escombros que se eliminan por mediante de tecnologías de vacío y presión.
• La producción de células y módulos también requiere ambientes libres de impurezas, por ejemplo en la deposición de revestimientos antirreflectantes en la superficie de las células solares, evitando así cualquier bolsa de aire o burbujas, así como elevadas temperaturas y uso de energía para la laminación que permite la unión las células solares entre las capas de vidrio o plástico, que pueden lograrse con tecnologías de vacío y presión.

Marpa Vacuum, proveedores de equipos de vacío para producción de paneles solares

Marpa Vacuum es una empresa líder en la provisión de soluciones de vacío en una amplia gama de procesos industriales, incluyendo la producción de placas solares fotovoltaicas. Ofrecemos proyectos llave en mano que abarcan desde la etapa de producción de silicio y obleas hasta la encapsulación de los módulos solares, incluyendo diseño, suministro, instalación y puesta en marcha de sistemas de vacío, así como el servicio de mantenimiento y reparación para garantizar un rendimiento óptimo a largo plazo.

Photo by Moritz Kindler on Unsplash