¿Cómo se fabrican las placas de silicona?
De la vida de un técnico de servicio fotovoltaico – ¿Cómo se fabrican las placas de silicio para paneles fotovoltaicos?
La fotovoltaica es una tecnología que convierte la luz solar en electricidad mediante el fenómeno fotovoltaico. Un componente clave de este proceso son los paneles fotovoltaicos, que están formados por muchas células fotovoltaicas interconectadas hechas de semiconductores. Entre los diversos materiales semiconductores, el silicio (Si) es el más popular y constituye la base de alrededor del 90% de los paneles solares de todo el mundo. El proceso de fabricación de las matrices de silicio, que son la base de las células fotovoltaicas, consta de varias etapas y es tecnológicamente complejo. Los temas relacionados con la fabricación son sin duda los que más me interesan. Así que hoy veremos en profundidad cómo se fabrican las matrices de silicio. Desde la extracción de la materia prima, pasando por su transformación, hasta el producto acabado que llega a los fabricantes de tableros.
1 Extracción del silicio bruto. ¿Cómo se fabrican las placas de silicio?
El silicio es uno de los elementos más abundantes de la corteza terrestre, representando alrededor del 28% de su masa. La materia prima utilizada para producir silicio de gran pureza es el cuarzo (SiO2). Se extrae en minas de arenisca y otras formaciones rocosas. El cuarzo contiene silicio en forma de óxido de silicio, que debe convertirse en silicio metalúrgico puro.
El proceso de reducción del cuarzo tiene lugar en hornos de arco, donde el sílice (SiO2) reacciona con el carbono a temperaturas muy elevadas (superiores a 2000°C). Esto, a su vez, provoca la precipitación de silicio puro y monóxido de carbono:
SiO2+2C→Si+2CO
El silicio metalúrgico resultante tiene una pureza aproximada del 98-99%. Es una materia prima que debe someterse a otros procesos de purificación para hacerla apta para aplicaciones electrónicas y fotovoltaicas.
2. purificación del silicio para grado solar
Para la producción de paneles fotovoltaicos se necesita silicio de muy alta pureza (el llamado silicio solar), que sólo contiene 1 átomo de impureza por cada mil millones de átomos de silicio (99,9999% de pureza). La purificación del silicio se lleva a cabo mediante un método químico de reducción halógena, que produce tetracloruro de silicio (SiCl4). En el siguiente paso, el tetracloruro de silicio se somete a un proceso de destilación fraccionada, seguido de una reducción por hidrógeno hasta obtener silicio policristalino:
SiCl4+2H2→Si+4HCl
Tras este proceso, se obtiene silicio de grado solar(Solar Grade Silicon, SGS). Éste está listo para su posterior procesamiento hacia la producción de silicio monocristalino o policristalino.
3. Método Czochralski: crecimiento de monocristales de silicio
Uno de los métodos más utilizados para producir placas de silicio monocristalino es el método Jan Czochralski. Fue inventado por el científico polaco Jan Czochralski en 1916. Se ha escrito sobre él muchas veces, pero también puedes escuchar nuestro podcast de YouTube sobre él.
¿Cómo se fabrican las placas de silicio? El proceso implica el crecimiento de un único cristal de silicio a partir de materia prima fundida.
Pasos del proceso:
- Fusión del silicio: El silicio de grado solar se calienta a temperaturas superiores a 1420°C en un crisol de cuarzo hasta que está completamente fundido.
- Nucleación del cristal: Se introduce un embrión de silicio monocristalino en el silicio fundido. Se tira lentamente de este embrión hacia arriba mientras gira alrededor de su eje.
- Crecimiento cristalino: A medida que se extrae el embrión, los átomos de silicio de la masa fundida cristalizan a su alrededor para formar un monocristal cada vez más grande con una estructura definida. Este proceso se controla con precisión para producir un cristal con una estructura homogénea.
Se obtiene un monocristal de silicio en forma de cilindro con un diámetro de 150 a 300 mm y una longitud de hasta 2 metros.
4 Corte y formación de placas de silicio. ¿Cómo se forman las placas de silicio?
A continuación, los monocristales de silicio obtenidos por el método Czochralski se cortan en trozos adecuados. El primer paso consiste en cortar el cilindro de silicio en segmentos planos. Para ello se utilizan sierras de hilo, que pueden cortar con precisión el silicio duro en obleas muy finas. El grosor de las obleas de silicio que se utilizan en los paneles solares suele ser de entre 160 y 200 micrómetros.
Para aumentar la eficacia del corte, a menudo se utilizan métodos avanzados, como las sierras de diamante. Tras el corte, cada oblea de silicio se somete a un pretratamiento químico y mecánico que elimina las irregularidades y defectos de la superficie. El proceso de corte también produce residuos en forma de polvo de silicio, que a menudo se recicla y reutiliza en la producción.
5. grabado y limpieza de superficies
El corte de las obleas de silicio va seguido de un proceso de grabado químico para limpiar aún más la superficie y darle las propiedades estructurales adecuadas. El grabado se realiza en baños químicos, normalmente en soluciones de ácido fluorhídrico (HF) y ácido nítrico (HNO3), que eliminan eficazmente las impurezas y alisan la superficie de las obleas. En algunos casos, se añaden texturas especiales a la superficie de las obleas para mejorar la capacidad de absorción de la luz solar, lo que aumenta la eficacia de las células fotovoltaicas.
6. Embalaje y transporte de placas de silicona
A continuación, las obleas de silicio acabadas se inspeccionan cuidadosamente para detectar defectos e impurezas. Cada placa debe cumplir estrictas normas de calidad para poder utilizarse en la fabricación de células fotovoltaicas. A continuación, las obleas se empaquetan en contenedores especialmente diseñados para protegerlas de daños mecánicos y de la contaminación durante el transporte. Las obleas de silicio protegidas se envían a fábricas donde se transformarán en células solares acabadas.
¿Cómo se fabrican las placas de silicio? El proceso de producción de obleas de silicio para paneles fotovoltaicos es un procedimiento avanzado y de múltiples pasos, que implica tanto la extracción de silicio en bruto como los complejos procesos de purificación, crecimiento monocristalino, corte, grabado y transporte de las obleas acabadas.
Cada paso requiere un control de calidad preciso para que el producto final pueda cumplir los requisitos de eficacia y durabilidad cruciales en la industria fotovoltaica. Las tecnologías desarrolladas, como el método Czochralski, permiten producir matrices de silicio monocristalino, que son la base de las células solares actuales, contribuyendo al desarrollo sostenible de las energías renovables.
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