De la arena a los paneles solares: revelando el viaje de la fabricación de paneles solares

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2023. El mundo se esfuerza por hacer la transición a fuentes de energía más sostenibles y reducir su dependencia de los combustibles fósiles. Como resultado, la energía renovable se está volviendo cada vez más popular. De hecho, la firma internacional de contabilidad BDO Global predice que, para 2024, casi el 33 por ciento 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 que la energía solar ahora representa más de la mitad de la nueva capacidad de generación en los EE. UU.

En este contexto, es relevante familiarizarse más 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 está todo lo que necesita saber sobre la ingeniería detrás de la tecnología fotovoltaica de silicio.

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 infinito. Según CNBC, la arena es el recurso natural más consumido después del agua, y podría haber escasez de arena en el corto plazo.

Esto no se debe a la fabricación de paneles solares sino a que el sector de la construcción tiene una gran demanda de arena. Después de todo, la arena se usa como agregado fino en la producción de concreto.

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La arena también es una de las principales materias primas del vidrio de nuestras ventanas y las pantallas de nuestros teléfonos inteligentes y una de las materias primas de los chips de silicio en teléfonos, computadoras y otros dispositivos electrónicos.

La arena tiene varias propiedades que la hacen apta para todas estas aplicaciones:

La arena se compone de granos, y estos granos pueden llenar huecos en las partículas de cemento, razón por la cual se mezcla con grava para producir concreto. La arena proporciona resistencia estructural al hormigón.

El alto contenido de sílice en la arena le permite derretirse a altas temperaturas y formar un material de vidrio fundido. Al enfriarse, el vidrio conserva su transparencia, permitiendo la transmisión de luz, protección y 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 sirve cualquier arena. La arena utilizada debe tener un alto contenido de 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.

Para construir paneles solares, se debe extraer arena rica en sílice de depósitos naturales, como minas o canteras de arena, 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. Luego se refina con métodos de procesamiento químico. Un método común es la lixiviación ácida, donde la arena se mezcla con una solución ácida, como el ácido sulfúrico, para disolver las impurezas y separar la sílice.

Después de eso, la sílice se calienta a altas temperaturas, generalmente en un horno, para eliminar cualquier material orgánico residual y convertirla en sílice de alta pureza.

La sílice de alta pureza es clave para producir polisilicio, también conocido como silicio policristalino. Esta forma de silicio de alta pureza se utiliza como materia prima para las células solares.

Para obtenerlo, se mezcla arena de cuarzo purificada con materiales ricos en carbono, como el carbón o el coque de petróleo. Posteriormente, la mezcla se expone a una corriente de cloro gaseoso a altas temperaturas, formando triclorosilano (SiHCl3). Este proceso se llama cloración.

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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 vuelve a convertir en silicio de muy alta pureza al reaccionar con gas hidrógeno (H2). El resultado de este proceso es el polisilicio.

La producción de polisilicio requiere estrictas medidas de garantía de calidad para garantizar los altos niveles de pureza necesarios para lograr un rendimiento óptimo de las células solares.

El polisilicio se funde en un crisol u horno bajo condiciones controladas. El polisilicio fundido se mantiene cuidadosamente a altas temperaturas para garantizar la uniformidad y la consistencia.

Luego, el polisilicio fundido se solidifica mediante un proceso de crecimiento de cristales conocido como método Czochralski (CZ). Un cristal semilla, generalmente hecho de un solo cristal de silicio de alta pureza, se sumerge en el polisilicio fundido y se extrae lentamente mientras gira. A medida que se eleva el cristal semilla, adquiere una forma cilíndrica y atrae 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 usa un proceso menos común, que implica el uso de compuestos de silicio gaseosos para depositar una capa delgada de átomos de silicio en una plantilla cristalina en forma de oblea).

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Luego, los lingotes de silicio se cortan mecánicamente en finas obleas circulares utilizando técnicas de aserrado de precisión. Estas obleas suelen tener un grosor de alrededor 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 el daño mecánico de la superficie de la oblea, el pulido con abrasivo de alúmina en una máquina pulidora para mejorar el paralelismo de la superficie y la limpieza para garantizar que la superficie de la oblea esté suave, limpia y optimizada para el procesamiento posterior.

Las obleas limpiadas e inspeccionadas luego se dopan con materiales específicos, como fósforo o boro, para crear diferentes regiones con diferentes propiedades eléctricas.

Después del dopaje, las obleas pasan por 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 general de las células solares.

Las obleas producidas a partir de los lingotes de silicio sirven como bloques de construcción para células solares individuales. Estas obleas se someten a una mayor fabricación, incluida la aplicación de contactos, recubrimientos antirreflectantes y otras capas esenciales, encapsulación con encapsulantes de vidrio y polímeros, y laminación para transformarlas en células solares completamente funcionales.

El panel terminado tiene un marco, sellador de bordes y una caja de conexiones. También se instalan cables eléctricos, que llevan 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 casas y otros edificios.