fabricaciÓn de paneles fotovoltaicos, efectos …
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FABRICACIÓN DE PANELES
FOTOVOLTAICOS, EFECTOS
CONTAMINTES Y RECICLADO.
SIV007 Tecnología fotovoltaica
Máster en eficiencia energética y sostenibilidad.
Diego Chico Gómez
Cinthya Farje Jurado
Alexandra Gimeno Furió
1. INTRODUCCIÓN.
Historia.
Descubrimiento del efecto fotovoltaico por Alexandre-Edmond becquerel en 1839.
1ª célula fotovoltaica. Charles Fritts en 1883.
1er panel de Si por los laboratorios Bells en 1954.
Grandes avances con la carrera
aeroespacial. 1957.
Primer panel de GaAs en 1970.
Actualidad. Usos más destacados.
Reducción del CO2 vertido a la atmósfera.
Producción de energía para la ISS.
Problemas.
Gran consumo de energía en la fabricación de
paneles.
Uso de sustancias peligrosas.
2. ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA,
FUNCIONAMIENTOConversión fotovoltaica.
La electricidad se obtiene al convertir la luz en una diferencia de voltaje.
Las bandas de conducción y de valencia están separadas por una distancia llamada GAP.
Los semiconductores pueden ser tipo N o P, estos semiconductores se pueden dopar para
conseguir una mayor conductividad.
Cuando un electrón gana suficiente energía para promocionarse de banda genera un par
electrón hueco.
Al aplicar luz los electrones se desplazan a zonas de menor energía acercando las bandas al
nivel de Fermi y creando una diferencia entre niveles que es el voltaje.
Sistemas fotovoltaicos.
La célula fotoeléctrica Las baterías
El panel fotovoltaico El inversor
El regulador de carga
3. FABRICACIÓN DE PANELES FOTOVOLTAICOS.
1ª GENERACIÓN
Para producir el panel fotovoltaico de silicio, es necesario pasar por una serie de etapas. En primer
lugar, es necesario obtener el silicio de la naturaleza. Tras someterlo a tratamientos de purificación
se deben moldear en lingotes. Dependiendo del tipo de silicio que se quiera obtener
(monocristalino, policristalino o amorfo) el proceso de moldeo de lingotes se hace de una forma u
otra. Tras esto, ya se cortan los lingotes para producir obleas que posteriormente serán las células
fotovoltaicas que se instalen en los paneles.
Fig. Procesos de fabricación de las células de Silicio
Silicio monocristalino (Método Czochralski y Zona Flotante).
El Método Czochralski; es la técnica de crecimiento de cristales más empleada en la actualidad. Este
método permite la obtención de silicio monocristalino en forma de lingotes cilíndricos que poseen una
calidad suficiente para que pueda ser utilizado en la mayoría de dispositivos electrónicos.
Para su obtención el silicio se funde en un crisol de cuarzo y a su vez se coloca dentro de un susceptor de
grafito con los dopantes necesarios. A continuación una varilla (semilla refrigerada de silicio
monocristalino) se pone en contacto con la superficie mientras se eleva y se hace rotar lentamente. El
diámetro que se quiere conseguir es controlando mediante la variación de una temperatura y velocidad
de elevación adecuadas.
Durante el proceso, el crisol de cuarzo (SiO2) se disuelve de forma gradual desprendiendo grandes
cantidades de oxigeno sobre el material fundido. Este oxigeno es eliminado en forma de gas SiO pero el
resto permanece en el material y se incorpora a la red cristalina. Otras impurezas que se encuentran en
los lingotes son Al, Ga, As, Sb, Fe y Sn pero en una menor concentración.
Fig. Esquema del método Czochralski Fig. Lingote de Si monocristalino
El método de la Zona Flotante,
El método Zona Flotante se utiliza para crecer silicio monocristalino con concentración de
impurezas más bajas que las normalmente obtenidas por el método de Czochralski.
El método de zona flotante fue inventado por Theuerer en 1962. El método FZ se basa en
hacer pasar una zona fundida a lo largo de una barra de polisilicio en forma vertical de
aproximadamente las mismas dimensiones que el lingote final, encerrado en una atmosfera
de gas inerte.
El anillo se va moviendo lentamente hacia arriba de manera que la zona fundida se desplazaa lo largo del lingote y el silicio va recristalizando en forma de mono cristal. En este métodode obtención de silicio monocristalino, el silicio no entra en contacto con ninguna sustanciaque no sea la atmosfera (arpón o vacío) de la cámara de crecimiento.
Figura: Método de Zona Flotante
SILICIO POLICRISTALINO
a. proceso de solificación direccional
En la solidificación direccional el polisilicio se funde dentro de un recipiente de cuarzo, generalmente con
forma cubica, y se deja enfriar de forma controlada. Al solidificar, se forman
múltiples cristales con orientaciones cristalograficas diferentes, de tamaño en torno a uno o varios
milímetros, formando el silicio multicristalino. Este proceso consume menos energía que
el método Czochralski y es por tanto más económico.
b. proceso de confinamiento electrónico
En la cristalización del silicio policristalino se usa un horno de inducción electromagnética como se ve en la
figura donde se mete un cubo que contiene el silicio solar purificado en forma
líquida a unos 1.600 °C y en el horno de inducción se controla la temperatura del silicio liquido de forma
que se forme una superficie de cristalización que avanza de abaja hacia arriba del cubo y va solidificando el
silicio y por lo tanto cristalizándose. La cristalización se produce a una baja velocidad de 1 cm/hora y se
usan generalmente cubos de 70 x 70 cm de lado y una altura de 30 cm.
OBTENCION DE CELULA SOLAR DE SILICIO CRISTALINO
Para la producción de dispositivos de silicio cristalino, se tiene una bola de silicio B-dopado tipo p
se cultiva utilizando el método Czochralski y las obleas se sierran desde la bola.
El silicio Cristalino (y policristalino) tiene un gap indirecto de energía que resulta en un bajo
coeficiente de absorción óptica, con la consecuencia de que las obleas tengan que ser mayor que 200
μm de espesor para absorber la mayor parte del incidente luz.
Las superficies de las obleas se 'textura' por inmersión en una solución de NaOH y alcohol
isopropílico para reducir al mínimo las pérdidas por reflexión y para refractar la luz que entra en el
Silicio a altos ángulos de refracción y mejorar la longitud del camino óptico en el Silicio.
Una unión p-n se forma por difusión de fósforo en la oblea como un dopante impuro.
Los Dedos serigrafiado de contacto de Ag se utilizan en la superficie de tipo n para hacer contacto
eléctrico mientras que también permite que la luz se transmita a la unión Región.
La pasta de aluminio se utiliza para hacer contacto en la superficie posterior de tipo p.
Este es recocido para introducir una región dopada p + en la parte posterior de la célula para reducir la
resistencia de contacto y el suministro de un campo de superficie posterior que refleja portadores
minoritarios de vuelta hacia la unión.
Un antirreflectante (A / R) de recubrimiento (por lo general TiO2 o nitruro de silicio) se deposita sobre
la parte superior de la superficie para completar el dispositivo.
Fig. vista transversal de una
célula solar de Silicio producida con
contactos serigrafiados.
Fig. Photographs of (a) crystalline Si, and (b) multicrystalline Si solar
cells.
4. FABRICACIÓN DE PANELES FOTOVOLTAICOS.
2ª Y 3ª GENERACIÓN Este tipo de tecnología se caracteriza por la poca cantidad de material fotovoltaico que utiliza como su propio
nombre indica, película o capa fina. Consiste básicamente en la deposición del sustrato sobre varias capas de
material portante rígido o flexible.
Posteriormente se realiza un recubrimiento de este con una película protectora que permita el paso de la luz solar
facilitando así el efecto fotovoltaico. Se utiliza esta tecnología para la fabricación de paneles de las siguientes:
· Silicio amorfo(aSi)
· CdTe
· GaAs
· InP
· GaSb
· CdTe, CdSe, CdS,
· CIS(CuInSe2, CuInS2)
· CIGS(CuInGaSe2, CuInGaS2)
· TANDEM
Características de un modulo de capa delgada
A diferencia de la mayoría de las células monocristalinas, los módulos de capa delgada no disponen de unarejilla de metal para el contacto eléctrico superior. En su lugar, utilizan una delgada capa de oxido conductortransparente como por ejemplo el oxido de estaño. Estos óxidos son muy transparentes y conducen muy bien laelectricidad. A continuación se encuentra una capa de material antirreflectante que permita que la mayoría delos rayos de luz que llegan a la placa sean absorbidos por la misma y no reflejados. Esta capa puede serinnecesaria ya que hay algunos óxidos transparentes que ya realizan esta función. Tras la capa antirreflectante,se encuentra una capa llamada ventana. La función de esta capa es la de absorber energía de la luz a partir delextremo de alta energía del espectro. Debe ser lo suficientemente delgada debe de tener una banda prohibidalo suficientemente ancha (2.8 eV o superior) para permitir que toda la luz disponible pueda atravesar la interfazy llegue a la capa de absorción.
SILICIO AMORFO THIN FILM
Los paneles solares de capa delgada de silicio, “thin-film”, se producen mediante la formación de una película desilicio amorfo (a-Si) sobre un sustrato de vidrio.Aquí la cantidad de silicio requerido es muy pequeña, una centésima o menos de la cantidad de las célulasfotovoltaicas cristalinas (a base de silicio a granel), ya que solo una fina capa delgada de silicio se deposita sobreun sustrato de vidrio de 1.1 m x 1.4m.
Una de las principales ventajas de este tipo de celda es que pueden fabricarse no solamente celdas sinomódulos en un proceso continuo. Se comienza con el tratamiento de limpieza del sustrato, luego con ladeposición del SnO2 para formar el contacto superior trasparente, con un haz láser se cortan las celdasindividuales (c), luego se deposita la película p+, seguida de la película i y finalmente la n (d), paraposteriormente cortar la película € con el fin de depositar el contacto inferior reflectivo de aluminio o plata (g) yluego aislar cad celda dejando los contactos conectados en serie (g). Posteriormente se prueba la celda (h), selamina(i) y se colocan los contactos finales (j).
Fig. Proceso de fabricación de módulos de Silicio amorfo hidrogenado.
Fabricación de células solares de CdTe
Debido a su gap energético y a la eficiencia que posee el CdTe para la conversión de la energía solar en energía eléctrica, convierten a este material en un buen candidato para realizar células fotovoltaicas. Su banda de gap es de 1.5 eV y tienen un coeficiente de absorción muy alto lo que significa que se pueden utilizar espesores muy bajos obteniendo un gran rendimiento. Es por ello, que el CdTe es una buena opción para la fabricación de capas de absorción para células solares delgadas.
El revestimiento mediante la denominada técnica de Sputtering, es la mas utilizada. En ella, el material derevestimiento se introduce en una cámara de vacío como cátodo, bajo la forma de placa metálica. Cuando lacámara esta vacía se introduce gas Argón. Tras esto, se aplica un gran voltaje lo que provoca que los ionespositivos del argón se aceleren sobre el cátodo negativo y liberen átomos de la placa metálica lo que provoca lacondensación de los sustratos presentes en la cámara. En este caso, no existe fusión del material por lo quemetales y aleaciones pueden ser depositados con alta eficiencia.
Fig. CdS/CdTe thin-film solar cell.
Fabricación de células de CuInS2 (CIS)
Este tipo de celdas absorben el 99% de la luz en el primer mm de material. La estructura de estas célulasconsiste en un conductor transparente, luego una película antirreflectora seguida del semiconductor tipon. Esta película n es del orden de 0.05 a 0.1 mm y actúa como ventana. El material que generalmente seemplea para la ventana es el CdS y la película p es de CIS que tiene un ancho de banda de 1 eV. Tambiénes posible introducir una película absorvedora CIGS que posee Indio y Galio e introducir una ventana dedos capas (ZnO y Cds) como puede verse en la imagen inferior.
Fig. Estructura de la celda solar CIGS.
Para la fabricación de la película de Cds se emplea evaporización. Para la disposición de la capa deCIS se emplea también la evaporización, pero también la pulverización iónica, spray pirolisis yelectro-deposición. En la evaporización el cobre, el indio y el selenio se calientan a altastemperaturas lo que provocan su evaporización y su posterior condensación sobre el sustratoformando la capa de CIS. En la pulverización iónica, los átomos de argón son ionizados. Estos átomosposeen una gran energía y al chocar contra la placa de cobre e indio, provocan la deposición de losmismos en el sustrato.
Fabricación de células solares sensibilizadas por colorante (DSSC)
La utilización de células solares basadas en películas mesoporosas de TiO2 sensibilizadas por colorantesconocidas como células de Gratzel se han propuesto en la ultima década como una alternativa a los dispositivosconvencionales en estado solido.
La preparación de los coloides se realiza de la siguiente forma:-Primero se precipita por hidrolisis de alcoxidos de Ti utilizando HN03.-Después se precipita por calentamiento a 80° C durante 8 horas y se filtra.-Se realiza el crecimiento hidrotermal en autoclave a 200-250°C durante 12 horas seguido de una sonicacion através de un baño ultrasónico. Finalmente se realiza una concentración mediante un evaporador.-Cuando se ha realizado la preparación de los coloides se procede a la preparación del electrodo de TiO2. Eneste paso, los coloides de TiO2 son separados del agua acidificada, lavados y luego mezclados comoaglutinante dando lugar a una pasta que es impresa en un sustrato de TCO utilizando una maquina deserigrafía y sinterizada después al aire a 500°C.-Para fijar la capa del colorante, las capas son sumergidas en la solución de dicho colorante seguido de sualmacenamiento a temperatura ambiente durante 12 u 18 horas. Este tratamiento produce una intensacoloración de la capa. Tras el baño, la capa es lavada con alcohol para quitar el exceso de colorante. Para lafabricación del contra-electrodo se espolvorea platino sobre un sustrato de TCO. Y finalmente el montaje de lacélula se hace ajustando una capa contenedora de polietileno recubierta con colorante y se deposita lasolución de electrolito en la superficie del electrodo utilizando una pipeta.
Fig. Representación esquemática de una célula solar de Grätzel y su funcionamiento.
5. RECICLADO DE LAS CÉLULAS FOTOVOLTAICAS.
1. Hasta 2030 no empezarán a generarse grandes residuos, por lo tanto no será rentable el reciclado.
2. Tipos de paneles
3. Composición de los paneles
4. Metodología actual de reciclado
First Solar
Deutsche Solar
5. Reciclado de paneles de silicio monocristalino
Degradación térmica en horno de alta temperatura
Métodos químicos
Métodos mecánicos de separación
Materiales recuperables
6. Diseños que favorecen el reciclado
Diseños de encapsulamiento de las células
Desensamblado de los marcos de aluminio y el laminado
6. IMPACTO AMBIENTAL.
1. Energías más limpias porque disminuyen las emisiones de gases (ef.inv y lluvia acida)
2. es la más respetuosa con el medio ambiente (no ruidos, no vibraciones no
impacto visual)
Problemas:
Contaminación proceso productivo
Utilización del territorio
Impacto visual
Impacto sobre flora y fauna
7. CONCLUSIÓN.
El porcentaje de emisiones de CO2 es insignificante comparado a otras fuentes de
energía.
Estas emisiones mermarán con la mejora de medidas de reciclado.
Para usar esta energía de manera verdaderamente sostenible hay que tener en
cuenta todo el ciclo de vida y tener una buena gestión de residuos.
ESTA TECNOLOGÍA TIENE UN GRAN FUTURO Y SE PUEVE PREVEER QUE LES SACARÁ
UNA GRAN DIFERENCIA A SUS COMPETIDORES.