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Como se fabrica un Panel Fotovoltaico plano

Síntesis de las etapas de fabricación de un Panel Fotovoltaico Plano Cristalino

La primera etapa consiste en obtener silicio a partir de Sílice

Sílice, Óxido de Silicio o Dióxido de Silicio se llaman a un grupo de minerales compuestos de silicio y oxígeno como por ejemplo el Cuarzo, la llamada comúnmente arena. De estos minerales se extrae el Silicio para fabricar semiconductores para la industria electrónica y celdas solares unitarias para fabricar Paneles Fotovoltaicos. A partir de estos minerales de Sílice también se fabrica el vidrio y algún tipo de cerámicas.

Los métodos para obtener Silicio puro como material base para la fabricación de Semiconductores en general y Paneles Solares Fotovoltaicos en particular, difieren según de que fabricante se hable, y en los últimos años han proliferado distintos métodos. Nosotros analizaremos uno de los más conocidos.

Para obtener el Silicio a partir de Sílice se funde el Sílice en presencia de un reductor como es el Carbono. La función del Carbono en el proceso es quitarle el oxigeno al compuesto (de allí su nombre de reductor) para obtener Silicio puro.

 

La reacción es SiO2 + C → Si + CO2 .

Aquí cabe destacar que los resultados de la reacción no son tan simples, es decir del lado derecho de la reacción aparecen mas cosas que Si más CO2. Pero analizarlas están fuera del alcance que le intentamos dar a este articulo. (#) Otros Productos en el dibujo

Una vez obtenido el Silicio, la siguiente etapa es quitarle las impurezas y ordenar sus moléculas para convertirlo en cristalino.

En esta etapa se produce un lingote que luego es cortado en láminas delgadas.

A las láminas delgadas se las somete a procesos para mejorar sus características eléctricas y de absorción de la Energía Solar.

Luego se le montan los terminales conductores de la electricidad. A esta altura del proceso ya esta conformada la Celda Fotovoltaica Unitaria. Cada Celda Fotovoltaica Unitaria posee una característica propia de valores de Tensión y Corriente Fotovoltaica.

Para este artículo convenimos que: Un Panel Fotovoltaico Cristalino Plano está formado por la interconexión de varias Celdas Fotovoltaicas Unitarias. Por ejemplo: para conseguir un Panel de 18 Volt se van a tener que conectar en serie 36 Celdas Unitarias de 0,5 Volt cada una, es 36 x 0,5 Volt = 18 Volt.

Ver Construir Panel Solar Fotovoltaico parte 1 y Construir Panel Fotovoltaico parte 2

En base a su característica de Tensión y Corriente Unitaria se la interconecta hasta alcanzar el valor de la Tensión y Corriente total del Panel Solar Fotovoltaico Plano que se quiera construir.

Por último este conjunto de Celdas Unitarias conectadas entre sí se montan formando una unidad compacta, formando un Panel Fotovoltaico con una cara transparente que se orientará de cara al Sol.

Secuencias del Proceso

Producción del Silicio a partir de Sílice
Para obtener el Silicio a partir de Sílice se funde el Sílice
(por ejemplo Arena común)
en presencia de un
reductor como es el Carbono, para quitarle el Oxígeno.
La reacción es SiO2 + C → Si + CO2 .

Obtención de Silicio llamado de Grado Metalurgico
de pureza igual a 99%
(pureza insuficiente para producir Celdas Solares).

Purificación del Silicio
Obtención de POLISILICIO o Silicio purificado
Silicio de calidad Electrónica (mayor pureza, 0,2 partes por millón de impureza)
Silicio de calidad Fotovoltaica (menor pureza, 1 parte por millón de impureza)

Cristalización del Silicio
Existen varios métodos para ordenar el
Silicio en forma de cristales :
_.Czochralski (Cz) *
_.Zona flotante (FZ, Floating Zone)
-.Método de la Colada (CM)
.-Deposición Química de Vapor
(CDV Chemical Vapor Deposition)
.-etc

Lingote de Si Monocristalino

 


Corte del Lingote en Obleas


Fabricación de la celda fotovoltaica unitaria
Dopaje, conexión de terminales eléctricos, tratamiento
antireflectante.


Interconexión de celdas unitarias de acuerdo a la
tensión y corriente del Módulo Fotovoltaico



Montaje del conjunto de Celdas Unitarias formando una
unidad rígida y estanca.
En esta etapa ya se observa su apariencia de Módulo o
Panel Fotovoltaico con su frontal de aspecto acristalado
y su dorsal opaco en el que se coloca una caja donde se
ubican los diodos de protección y los terminales de
conexión eléctrica


Este tipo de Panel Solar es el típico que se caracteriza porque a través de la transparencia de la cara frontal, se observan delineadas la Celdas Fotovoltaicas Unitarias, a diferencia de otras tecnologías como la de Paneles de Silicio Amorfo o ThinFilm.

El Silicio

El Silicio usado en la industria fotovoltaica, se mantiene en la actualidad como el material más utilizado. Es un material abundante en todo nuestro planeta, que necesita ser refinado en un alto grado para que pueda ser utilizado para fabricar un Panel generador fotovoltaico.

El cristal de Silicio

La característica de cristalino en el interior de un sólido indica cómo es el ordenamiento de los átomos que se encuentran en la estructura de ese sólido. El Silicio usado para fabricar células solares, es el mismo que se usa para fabricar dispositivos electrónicos como diodos, transistores, y circuitos integrados en general, pero con menor requerimientos de pureza que para estos últimos. Tanto es así que el Silicio que se descarta por selección por no cumplir los requerimientos en la industria de dispositivos electrónicos es derivado para utilizar en la industria fotovoltaica.

Impurezas y cristalografía

A esta altura es necesario tener claro estas dos ideas.

Ambas características influyen en la conducción de la electricidad dentro del sólido y por lo tanto en el rendimiento del dispositivo fabricado.

Impureza

Impureza es la existencia de átomos distintos de los de Silicio.

Ejemplo :

Para la industria de dispositivos electrónicos el Silicio es apto si contiene impurezas menores a 0,2 partes de impurezas por cada millón de partes.

Para la industria fotovoltaica el Silicio es apto si posee 1 parte de impureza por cada millón de partes.

Cristalografía

Son tres los tipos de acuerdo al ordenamiento de sus moléculas

-Silicio mono cristalino o cristalino

Un solo patrón en el odenamiento se repite en todo el material en forma uniforme.

-Silicio multicristalino o policristalino

Hay varios patrones de ordenamiento distintos separados en zonas, extendidos por todo el material.

-Silicio amorfo

No existe ningún patrón de ordenamiento.

Silicio mono cristalino: los átomos están organizados en cristales iguales en todo material, esta estructura es ideal para una corriente uniforme de los electrones. Es más caro de producir.
Silicio multicristalino: los átomos están organizados en cristales por zonas con discontinuidades, estas discontinuidades hacen que disminuya la corriente de electrones. Es más económico de producir.
Silicio amorfo: los átomos están dispuestos sin ningún tipo de ordenamiento, no forman estructuras de cristal de ninguna clase y tiene gran cantidad de defectos en su estructura molecular.
El Silicio Amorfo, sin embargo tiene ventajas que lo hacen muy útil para aplicaciones en paneles generadores fotovoltaicos, como por ejemplo que absorbe la radiación en forma más eficaz que el Silicio cristalino, por lo que una capa muy delgada de este semiconductor es capaz de captar toda la energía solar que incide sobre ella, esta característica lo hace ideal para ser depositado recubriendo las tejas del techo de un edificio, también es depositado sobre materiales como el vidrio o el plástico lo cual amplia sus formas de aplicación, también puede ser producido a temperaturas más bajas y por lo tanto es más económico.
Rendimiento de los diferentes tipos de Silicio
La siguiente es una comparación entre las eficiencias para producir electricidad de cada uno de los distintos tipos de Silicio

Tipo de Silicio

Eficiencia

Mono cristalino

12 % al 15 %

Policristalino

11 % al 14 %

Amorfo

6 % al 7 %

 

Una manera de interpretar esta tabla, es de la siguiente forma:

Para igual superficie de captación, por cada 1000 unidades de energía solar, una celda fotovoltaica fabricada con:

a) Silicio Mono cristalino rendirá de 120 a 150 unidades de energía eléctrica.

b) Silicio Policristalino rendirá de 110 a 140 unidades de energía eléctrica.

c) Silicio Amorfo rendirá de 60 a 70 unidades de energía eléctrica.

Se puede ver que a pesar de ser el Silicio Amorfo muy buen receptor de la radiación solar, su rendimiento para entregar energía eléctrica es bajo, comparado con el Silicio cristalino.

El Silicio mono cristalino y policristalino con los mayores rendimientos, son los tipos más usados en la fabricación de los módulos fotovoltaicos planos, típicos, más conocidos.

En este artículo se habla de como se fabrica un Panel Fotovoltaico plano, “formado por Celdas Solares Unitarias “, para diferenciarlo del Panel Fotovoltaico plano fabricado a partir de la deposición de Silicio sobre una superficie plana como el vidrio, que es completamente diferente. En la actualidad la técnica “Thin Film” (Capa Delgada) se aplica sobre materiales muy variados como plástico, cerámica, etc.

*La técnica de Czochralski es un procedimiento utilizado para obtener lingotes de Silicio Mono Cristalino.

Es el procedimiento clásico de fabricación de células de silicio monocristalino, conocido como método Czochralski (abreviadamente Cz). El procedimiento parte de la obtención, a partir de sílice, de silicio extremadamente puro, el cual se funde en un crisol junto con una pequeña cantidad de boro hasta formar una masa de liquido.

Una vez que todo el material se encuentra en estado líquido se lo mantiene a una temperatura un poco por encima de su temperatura de fusión. En ese momento se introduce en el seno del silicio en estado líquido, una varilla en cuyo extremo hay un cristal de silicio sólido al que se lo denomina germen de silicio.

Esta varilla se hace girar y elevar lentamente de modo que los cristales de silicio que están fundidos se adhieren al germen sólido incrustado en la varilla copiando su estructura monocristalina, luego se enfría pasando a estado sólido. Este nuevo silicio solidificado sobre la varilla tiene un ordenamiento en su estructura molecular en forma de mono cristal. Sobre la varilla que se va engrosando, se siguen disponiendo lentamente nuevos átomos del material procedentes del líquido, que quedan perfectamente ordenados siguiendo la estructura monocristal. El proceso finaliza cuando todo el silicio es estado liquido se solidificó sobre la varilla que a estas alturas presenta un formato de lingote.

Se obtiene así un mono cristal de suficiente tamaño, el cual, una vez enfriado, se corta en finas obleas circulares o cuadradas de unas 3 décimas de milímetro de grosor, que son tratadas químicamente y en su superficie para perfeccionar sus cualidades de absorción de Energía Solar.

Existen otras técnica para obtener Silicio monocristalino como la llamada de Zona Flotante (ZF o FZ en inglés) y es la segunda después de la Czochralski (Cz). Esta técnica permite obtener Silicio monocristalino con un grado de pureza más elevado, comparado con el de Cz.

Autor: Julio A Miranda

Fuentes

.-NREL.Laboratorio Nacional de Energías Renovables. USA

.-Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales

Suplemento de la Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales 2009; S1 (3): 1349-1352

 


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