Contexto
Las células solares fotovoltaicas son discos delgados de silicio que convierten la luz solar en electricidad. Estos discos actúan como fuentes de energía para una gran variedad de usos, entre ellos: calculadoras y otros dispositivos pequeños; telecomunicaciones; paneles en los tejados de las casas individuales; y para la iluminación, el bombeo y la refrigeración médica de las aldeas en los países en desarrollo. Las células solares en forma de grandes conjuntos se utilizan para alimentar satélites y, en contadas ocasiones, para proporcionar electricidad a centrales eléctricas.
Cuando se empezó a investigar sobre la electricidad y se fabricaron y estudiaron baterías sencillas, la investigación sobre la electricidad solar siguió con asombrosa rapidez. Ya en 1839, Antoine-Cesar Becquerel expuso una pila química al sol para ver cómo producía tensión. Esta primera conversión de la luz solar en electricidad tenía una eficacia del uno por ciento. Es decir, el uno por ciento de la luz solar entrante se convirtió en electricidad. Willoughby Smith, en 1873, descubrió que el selenio era sensible a la luz; en 1877, Adams y Day observaron que el selenio, expuesto a la luz, producía una corriente eléctrica. Charles Fritts, en la década de 1880, también utilizó selenio recubierto de oro para fabricar la primera célula solar, también con una eficacia de sólo el 1%. Sin embargo, Fritts consideraba que sus células eran revolucionarias. Imaginó que la energía solar gratuita sería un medio de descentralización, y predijo que las células solares sustituirían a las centrales eléctricas por residencias alimentadas individualmente.
Con la explicación de Albert Einstein en 1905 sobre el efecto fotoeléctrico -el metal absorbe la energía de la luz y la retiene hasta que le llega demasiada luz- se reavivaron las esperanzas de que la electricidad solar con mayor eficiencia sería factible. Sin embargo, los avances fueron escasos hasta que las investigaciones sobre diodos y transistores aportaron los conocimientos necesarios para que los científicos de Bell Gordon Pearson, Darryl Chapin y Cal Fuller produjeran una célula solar de silicio con una eficiencia del cuatro por ciento en 1954.
Los trabajos posteriores llevaron la eficiencia de la célula hasta el 15 por ciento. Las células solares se utilizaron por primera vez en la ciudad rural y aislada de Americus, Georgia, como fuente de energía para un sistema de retransmisión telefónica, donde se utilizó con éxito durante muchos años.
Todavía no se ha desarrollado un tipo de célula solar que satisfaga plenamente las necesidades energéticas domésticas, pero las células solares han conseguido proporcionar energía a los satélites artificiales. Los sistemas de combustible y las baterías normales eran demasiado pesados en un programa en el que cada onza importaba. Las células solares proporcionan más energía por onza de peso que todas las demás fuentes de energía convencionales, y son rentables.
Sólo se han creado unos pocos sistemas de energía fotovoltaica a gran escala. La mayoría de los esfuerzos se inclinan por proporcionar tecnología de células solares a lugares remotos que no disponen de otros medios de energía sofisticados. Cada año se instalan unos 50 megavatios, pero las células solares sólo proporcionan aproximadamente 1 por ciento de toda la electricidad que se produce actualmente. Los partidarios de la energía solar afirman que la cantidad de radiación solar que llega a la superficie de la Tierra cada año podría proporcionar fácilmente todas nuestras necesidades energéticas varias veces, pero las células solares tienen un largo camino por recorrer antes de cumplir el sueño de Charles Fritts de una electricidad solar gratuita y totalmente accesible.
Materias primas
El componente básico de una célula solar es el silicio puro, que no lo es en su estado natural.
El silicio puro se obtiene a partir de dióxidos de silicio como la grava de cuarcita (la sílice más pura) o el cuarzo triturado. El silicio puro resultante se dopa (se trata con) con fósforo y boro para producir un exceso de electrones y una deficiencia de electrones respectivamente para hacer un semiconductor capaz de conducir la electricidad. Los discos de silicio son brillantes y requieren un recubrimiento antirreflectante, normalmente de dióxido de titanio.
El módulo solar está formado por el semiconductor de silicio rodeado de material protector en un marco metálico. El material protector consiste en un encapsulante de caucho de silicio transparente o de plástico butiral (comúnmente utilizado en los parabrisas de los automóviles) adherido alrededor de las células, que luego se incrustan en acetato de vinilo de etileno. Una película de poliéster (como el mylar o el tedlar) constituye el soporte. En los conjuntos terrestres hay una cubierta de vidrio, y en los conjuntos de satélites, una cubierta de plástico ligero. Los componentes electrónicos son estándar y están compuestos principalmente por cobre. El marco es de acero o de aluminio. El silicio se utiliza como cemento para unirlo todo.
El proceso de fabricación
Purificación del silicio
- 1 El dióxido de silicio de grava de cuarcita o de cuarzo triturado se coloca en un horno de arco eléctrico. A continuación se aplica un arco de carbono para liberar el oxígeno. Los productos son dióxido de carbono y silicio fundido. Este sencillo proceso produce silicio con un uno por ciento de impurezas, útil en muchas industrias pero no en la de las células solares.
- 2 El silicio con un 99 por ciento de pureza se purifica aún más mediante la técnica de la zona de flotación. Una varilla de silicio impuro se hace pasar por una zona calentada varias veces en la misma dirección. Este procedimiento «arrastra» las impurezas hacia un extremo con cada pasada. En un punto determinado, el silicio se considera puro y se retira el extremo impuro.
Fabricación de silicio monocristalino
- 3 Las células solares se fabrican a partir de bolos de silicio, estructuras policristalinas que tienen la estructura atómica de un solo cristal. El proceso más utilizado para crear el boule se llama método Czochralski. En este proceso, se sumerge un cristal semilla de silicio en silicio policristalino fundido. Al retirar y girar el cristal semilla, se forma un lingote cilíndrico o «boule» de silicio. El lingote extraído es inusualmente puro, porque las impurezas tienden a permanecer en el líquido.
Fabricación de obleas de silicio
- 4 A partir del boule, las obleas de silicio se cortan de una en una utilizando una sierra circular cuyo diámetro interior corta la barra, o muchas a la vez con una sierra multihilo. (Una sierra de diamante produce cortes tan anchos como la oblea. 5 milímetros de grosor). Sólo se pierde alrededor de la mitad del silicio desde la barra hasta la oblea circular terminada -más si la oblea se corta luego para que sea rectangular o hexagonal. Las obleas rectangulares o hexagonales se utilizan a veces en las células solares porque pueden encajar perfectamente, utilizando así todo el espacio disponible en la superficie frontal de la célula solar.
Después de la purificación inicial, el silicio se refina aún más en un proceso de zona flotante. En este proceso, una barra de silicio se hace pasar varias veces por una zona calentada, lo que sirve para «arrastrar» las impurezas hacia un extremo de la barra. El extremo impuro puede entonces eliminarse.
A continuación, se introduce un cristal semilla de silicio en un aparato de crecimiento Czochralski, donde se sumerge en silicio policristalino fundido. El cristal semilla gira mientras se retira, formando un lingote cilíndrico de silicio muy puro. A continuación, se cortan obleas del lingote. - 5 Las obleas se pulen para eliminar las marcas de la sierra. (Recientemente se ha descubierto que las células más rugosas absorben la luz con mayor eficacia, por lo que algunos fabricantes han optado por no pulir la oblea).
Dopaje
- 6 La forma tradicional de dopar (añadir impurezas a) las obleas de silicio con boro y fósforo es introducir una pequeña cantidad de boro durante el proceso Czochralski en el paso #3 anterior. A continuación, las obleas se sellan una contra otra y se colocan en un horno para calentarlas hasta un nivel ligeramente inferior al punto de fusión del silicio (2.570 grados Fahrenheit o 1.410 grados Celsius) en presencia de gas fósforo. Los átomos de fósforo «excavan» en el silicio, que es más poroso porque está a punto de convertirse en líquido. La temperatura y el tiempo que se da al proceso se controlan cuidadosamente para garantizar una unión uniforme y de profundidad adecuada.
Una forma más reciente de dopar el silicio con fósforo consiste en utilizar un pequeño acelerador de partículas para disparar iones de fósforo en el lingote. Al controlar la velocidad de los iones, es posible controlar su profundidad de penetración. Este nuevo proceso, sin embargo, no ha sido generalmente aceptado por los fabricantes comerciales.
Colocación de los contactos eléctricos
- 7 Los contactos eléctricos conectan cada célula solar con otra y con el receptor de la corriente producida. Los contactos deben ser muy finos (al menos en la parte delantera) para no bloquear la luz solar a la célula. Metales como el paladio/plata, el níquel o el cobre se evaporan al vacío
Esta ilustración muestra la composición de una célula solar típica. Las células se encapsulan en acetato de vinilo de etileno y se colocan en un marco metálico que tiene una lámina posterior de mylar y una cubierta de vidrio.a través de un fotorresistente, serigrafiado, o simplemente depositado en la parte expuesta de las células que han sido parcialmente cubiertas con cera. Los tres métodos implican un sistema en el que la parte de la célula en la que no se desea un contacto está protegida, mientras que el resto de la célula está expuesta al metal.
- 8 Una vez colocados los contactos, se colocan tiras finas («dedos») entre las celdas. Las tiras más utilizadas son de cobre recubierto de estaño.
- 9 Como el silicio puro es brillante, puede reflejar hasta un 35% de la luz solar. Para reducir la cantidad de luz solar que se pierde, se pone un revestimiento antirreflectante en la oblea de silicio. Los revestimientos más utilizados son el dióxido de titanio y el óxido de silicio, aunque se utilizan otros. El material utilizado para el recubrimiento se calienta hasta que sus moléculas hierven y se desplazan hasta el silicio y se condensan, o bien el material se somete a un proceso de sputtering. En este proceso, un alto voltaje desprende las moléculas del material y las deposita sobre el silicio en el electrodo opuesto. Otro método consiste en dejar que el propio silicio reaccione con gases que contienen oxígeno o nitrógeno para formar dióxido de silicio o nitruro de silicio. Los fabricantes de células solares comerciales utilizan nitruro de silicio.
- 10 Las células solares terminadas se encapsulan; es decir, se sellan en caucho de silicio o en acetato de vinilo de etileno. Las células solares encapsuladas se colocan entonces en un marco de aluminio que tiene una lámina posterior de mylar o tedlar y una cubierta de vidrio o plástico.
El revestimiento antirreflectante
Encapsulando la célula
Control de calidad
El control de calidad es importante en la fabricación de células solares porque las discrepancias en los numerosos procesos y factores pueden afectar negativamente a la eficiencia global de las células. El objetivo principal de la investigación es encontrar formas de mejorar la eficiencia de cada célula solar a lo largo de su vida útil. El Proyecto de Matriz Solar de Bajo Coste (iniciado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos a finales de la década de 1970) patrocinó la investigación privada que pretendía reducir el coste de las células solares. El silicio se somete a pruebas de pureza, orientación del cristal y resistividad. Los fabricantes también comprueban la presencia de oxígeno (que afecta a su fuerza y resistencia a la deformación) y de carbono (que provoca defectos). Los discos de silicio terminados se inspeccionan para detectar cualquier daño, descamación o flexión que pueda haberse producido durante el aserrado, el pulido y el grabado.
Durante todo el proceso de fabricación de los discos de silicio, la temperatura, la presión, la velocidad y las cantidades de dopantes se controlan continuamente. También se toman medidas para garantizar que las impurezas en el aire y en las superficies de trabajo se mantengan al mínimo.
Los semiconductores terminados deben someterse a pruebas eléctricas para comprobar que la corriente, el voltaje y la resistencia de cada uno de ellos cumplen los estándares adecuados. Un problema anterior de las células solares era la tendencia a dejar de funcionar cuando estaban parcialmente a la sombra. Este problema se ha paliado con diodos de derivación que reducen las tensiones peligrosas de la célula. La resistencia de derivación debe probarse entonces utilizando uniones parcialmente sombreadas.
Una prueba importante de los módulos solares consiste en proporcionar a las células de prueba las condiciones y la intensidad de la luz que encontrarán en condiciones normales y luego comprobar que funcionan bien. Las células también se exponen al calor y al frío y se prueban contra las vibraciones, las torsiones y el granizo.
La prueba final para los módulos solares es la prueba de campo, en la que los módulos terminados se colocan en el lugar donde realmente se van a utilizar. Esto proporciona al investigador los mejores datos para determinar la eficiencia de una célula solar en condiciones ambientales y la vida útil efectiva de la célula solar, los factores más importantes de todos.
El futuro
Teniendo en cuenta el estado actual de las células solares, relativamente caras e ineficientes, el futuro sólo puede mejorar. Algunos expertos predicen que será una industria de mil millones de dólares para el año 2000. Esta predicción está respaldada por la evidencia de que se están desarrollando más sistemas fotovoltaicos en los tejados de países como Japón, Alemania e Italia. En México y China se han establecido planes para iniciar la fabricación de células solares. Asimismo, Egipto, Botsuana y Filipinas (los tres con ayuda de empresas estadounidenses) están construyendo plantas que fabricarán células solares.
La mayoría de las investigaciones actuales tienen como objetivo reducir el coste de las células solares o aumentar su eficiencia. Las innovaciones en la tecnología de las células solares incluyen el desarrollo y la fabricación de alternativas más baratas a las costosas células de silicio cristalino. Estas alternativas incluyen ventanas solares que imitan la fotosíntesis y células más pequeñas hechas de diminutas bolas de silicio amorfo. El silicio amorfo y el policristalino ya están ganando popularidad en detrimento del silicio monocristalino. Otras innovaciones son la minimización de la sombra y el enfoque de la luz solar mediante lentes prismáticas. Esto implica capas de diferentes materiales (en particular, arseniuro de galio y silicio) que absorben la luz en diferentes frecuencias, aumentando así la cantidad de luz solar efectivamente utilizada para la producción de electricidad.
Algunos expertos prevén la adaptación de casas híbridas; es decir, casas que utilicen calentadores de agua solares, calefacción solar pasiva y células solares para reducir las necesidades energéticas. Otro punto de vista se refiere a que el transbordador espacial ponga en órbita más y más matrices solares, un satélite de energía solar que envíe energía a las granjas de matrices solares de la Tierra, e incluso una colonia espacial que fabrique matrices solares para ser utilizadas en la Tierra.
Donde aprender más
Libros
Bullock, Charles E. y Peter H. Grambs. Solar Electricity: Making the Sun Work for You. Monegon, Ltd., 1981.
Komp, Richard J. Practical Photovoltaics. Aatec Publications, 1984.
Making and Using Electricity from the Sun. Tab Books, 1979.
Periódicos
Crawford, Mark. «DOE’s Born-Again Solar Energy Plan», Science. 23 de marzo de 1990, pp. 1403-1404.
«Waiting for the Sunrise», Economist. May 19, 1990, pp. 95+.
Edelson, Edward. «Solar Cell Update», Popular Science. June, 1992, p. 95.
Murray, Charles J. «Solar Power’s Bright Hope,» Design News. 11 de marzo de 1991, p. 30.
– Rose Secrest
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