Freiburg, Alemania. 01 de Otubre 2015 – Las placas de silicio son el alma de las celdas solares. Sin embargo, fabricarlas no es barato. Más del 50% del silicio puro utilizado se convierte en polvo durante el proceso de fabricación. Una novedosa técnica de fabricación desarrollada por investigadores del Instituto Fraunhofer ISE pone fin a esta pérdida del material, con un ahorro de hasta un 50% en las materias primas junto con un 80 por ciento en la reducción de los costos de energía de producción.
Brillan en azul oscuro en las azoteas. A las viviendas les suministran iluminación, mientras proporcionan a las lámparas, refrigeradores y otros electrodomésticos energía eléctrica. Estamos hablando de las celdas solares. Un componente vital de estas son las delgadas placas de silicio. La fabricación de estas placas consume mucha energía, mucho tiempo, y por ende muy son muy costosas. Además, alrededor de la mitad del silicio se pierde durante el proceso de producción de las placas. El costo actual del polisilicio es de alrededor de 15 euros por kilogramo, lo cual significa que para cada kilogramo de polisilicio utilizado, cerca de 8 euros del material en promedio termina contaminado y por lo tanto es silicio inutilizable.
Menos pérdida de material y un 80 por ciento menos energía
Este no es el caso con el nuevo proceso desarrollado por investigadores del Instituto Fraunhofer para los Sistemas de Energía Solar (ISE) en Freiburg, Alemania. “Con nuestro método, podemos evitar casi todas las pérdidas que ocurren durante el proceso de producción convencional”, comentó el investigador Dr. Stefan Janz del ISE. “Esto significa que estamos reduciendo la pérdida de material en un 50 por ciento y al mismo tiempo utilizando 80 por ciento menos energía”.
Con la finalidad de entender cómo los investigadores han logrado esto, vale la pena dar una mirada al proceso convencional de fabricación para las placas de silicio. Este proceso inicia con un fragmento impuro de silicio. El silicio impuro es licuado y purificado al agregar cloro. El material creado de esta forma se le conoce como clorosilano. Si se le agrega hidrógeno al gas resultante entonces es transformado nuevamente en un polisilicio de alta pureza. Pero esta no es la forma cristalina necesaria para las celdas solares. Por lo tanto, los fragmentos del silicio resultante son nuevamente divididos, fundidos a 1450 grados Celsius, expandidos utilizando diferentes métodos y transferidos a lingotes de silicio con un peso aproximado de entre 200 y más de 1000 kilogramos. A partir de estos, se crean bloques de forma cuadrada y finalmente son cortados en placas más pequeñas.
Similarmente, en el nuevo proceso los investigadores primero fabricaron clorosilanos, los calentaron a más de 1000 grados Celsius y lo mezclaron con hidrógeno. “No dejamos que el silicio sólo crezca al azar, en su lugar nosotros inmediatamente lo transformamos en la forma cristalina deseada”, explicó Janz. Esto se realiza por medio de la deposición química del vapor. Aquí, el silicio en estado gaseoso fluye más allá del substrato – en sí una placa de silicion – y recubre su superficie. De esta forma, la placa crece capa por capa a nivel atómico. Para hacer de la nueva placa fácilmente separable del substrato, los investigadores agregarán un punto de ruptura mecánica previamente en la forma de silicio poroso . Estos substratos pueden ser reutilizados varias docenas de veces. No sólo los substratos sirven como una “placa de soporte”, sino también, estos proporcionan la información necesaria del cristal. Esto es debido a las celdas solares, un cristal de silicio es necesario en el cual los átomos son dispuestos en un conjunto regular, tanto como lo están en un diamante. El substrato informa a los átomos, por así decirlo, sobre cómo estos deberían ordenarse a partir del silicio en estado gaseoso. “De esta forma obtenemos un muy buen monocristalino, el cual es el mejor tipo de cristal, y las placas son de la misma calidad que aquellas producidas utilizando los métodos convencionales”, comentó Janz.
Celdas solares de bajo costo
En breve, la placa se expande exactamente como quieren los investigadores, sin la necesidad de un corte engorroso – un paso en el proceso que desperdicia casi la mitad de los insumos del material de alta pureza.
Otra ventaja del nuevo proceso es que permite a las placas ser fabricadas tan delgadas como se desea. Con el proceso convencional, las placas de silicio deben ser de al menos 150 a 300 micrómetros de grosor, de lo contrario las pérdidas del corte serían muy altas. Pero las celdas solares pueden crearse con placas aún más delgadas. Y entre más delgada es la placa, más económicas son las celdas solares. Así el nuevo proceso ahorra material de dos formas: al evitar pérdidas durante el proceso de fabricación de la placa y al permitir una reducción en el grosor de la placa. Estas ganancias realmente se suman debido a que los costos de corte de las placas a la mitad baja los costos de todo el módulo solar en un 20 por ciento.
A partir de Junio de 2015, una empresa subsidiaria denominada NexWafe ha asumido la responsabilidad para llevar esta novedosa técnica de producción de películas al mercado. “Durante la fase piloto de esta tecnología estamos trabajando en cercana colaboración con nuestros colegas del Instituto Fraunhofer ISE”, comentó el Dr. Stefan Reber, CEO de NexWafe. La finalización de esta fábrica y el inicio de la producción en masa para las placas de silicio de bajo costo está programada para finales del 2017.
Para mayores informes sobre NexWafe por favor consultar: www.nexwafe.com
Información y fotografía cortesía de: © Fraunhofer ISE – www.ise.fraunhofer.de/en
Acerca del Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar ISE
El Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar (ISE) realiza investigación sobre la tecnología necesaria para suministrar energía eficientemente y de forma ambientalmente racional en los países industrializados y en los países en vías de desarrollo. Para este propósito, el instituto desarrolla sistemas, componentes, materiales y procesos en las áreas del uso de energía térmica y solar, edificaciones solares, celdas solares, suministro de energía eléctrica, conversión química de la energía, almacenamiento de energía y el uso racional de la energía.
El trabajo del instituto varía desde la investigación científica fundamental en relación a las aplicaciones de la energía solar, a través del desarrollo de tecnología de producción y prototipos, hasta la construcción de sistemas de demostración. El instituto planea, asesora y proporciona conocimientos e instalaciones tecnológicas, así como también, servicios www.ise.fraunhofer.de/en.
