Introducción
La energía solar es una energía renovable y limpia inagotable para la humanidad. La tecnología fotovoltaica (FV), que convierte directamente la energía luminosa del sol en electricidad, la energía eléctrica convertida se almacena en el
batería solar de iones de litionormalmente se utiliza
Batería de iones de litio de 51,2 V y 200 Ah y luego puede ser utilizado por los electrodomésticos a través del inversor, es un actor importante en la transición energética sostenible hacia una sociedad con bajas emisiones de carbono.
Aunque se pueden utilizar y se han utilizado varios materiales para fabricar células solares, en la gran mayoría de los módulos fotovoltaicos actuales predomina el silicio cristalino (c-Si), ya que el silicio es el elemento más abundante en la corteza terrestre después del oxígeno.
Sin embargo, el c-Si
fotovoltaica de silicio es caro. Los enormes avances logrados en la cadena de fabricación en el pasado han convertido al carburo de silicio en una importante fuente de electricidad de bajo coste.
En 2020, se instalaron más de 125 GW de módulos de c-Si en todo el mundo, y se han instalado más de 700 GW acumulados, lo que representa 95% de todo el mercado fotovoltaico de silicio.
Se estima que en 20 o 30 años, la fotovoltaica de silicio c-Si podría convertirse en la fuente de electricidad más importante del mundo.
Un vistazo a los resultados
Recientemente, el profesor Christophe Ballif, de la Escuela Politécnica Federal de Lausana, expuso los principales cambios relacionados con el material y el procesamiento industrial de los módulos fotovoltaicos de silicio.
El coste de las obleas monocristalinas se ha reducido gracias a la drástica reducción del coste del polisilicio y al uso generalizado de sierras de hilo de diamante. También se ha reducido la concentración de impurezas y defectos electrónicos en varios tipos de obleas, lo que permite una producción eficaz de los equipos industriales.
La mayor automatización de las herramientas, la mejora de la limpieza de las líneas, la mejora de la estructura de las células y la tecnología de producción han contribuido a aumentar la eficacia de los módulos convencionales.
Con la introducción de la tecnología de ensamblaje avanzada y el aumento del tamaño de las obleas, se ha mejorado enormemente la correspondiente eficiencia de los dispositivos. Estas mejoras reducen las pérdidas de eficiencia entre módulos y acelerarán el aumento anual de la eficiencia de los módulos convencionales.
Por último, también se analiza cómo otras tecnologías fotovoltaicas pueden competir con la fotovoltaica de silicio en el mercado de masas.
Innovación básica
En las últimas tres décadas, la industria fotovoltaica de silicio ha pasado de ser un tesoro en el campo de la energía a ser el "nuevo rey de la electricidad". La fotovoltaica de silicio desempeñará un papel central en la descarbonización de la economía energética mundial y en la mitigación del cambio climático, y la tecnología fotovoltaica de silicio seguirá siendo un actor clave en las próximas décadas.
Resumen de datos
De las materias primas del polisilicio a las obleas
Para obtener células y módulos fotovoltaicos de silicio de alta eficiencia, se necesitan cristales de silicio con bajas concentraciones de impurezas y pocos defectos cristalinos. El procesamiento del silicio comienza con silicio de grado metalúrgico (que contiene ~1% de impurezas), que reacciona con HCl para formar triclorosilano (TCS), un líquido con un punto de ebullición de 32 °C. Se obtuvo TCS con una pureza de 9N a 12N mediante una serie de ciclos de destilación.
Posteriormente, el TCS se introduce junto con H2 en un reactor de duelas refrigerado, donde filamentos de silicio de gran pureza (de varios milímetros de ancho) se calientan a 1150 °C. El TCS se disocia térmicamente en la superficie de los filamentos de silicio calientes, y la deposición de silicio engrosa los filamentos hasta convertirlos en barras de silicio de 10-20 cm de diámetro. A continuación, las barras de silicio se trituran en bloques y se utilizan para el crecimiento de lingotes de silicio.
Del silicio virgen a los módulos solares fotovoltaicos de silicio
(a) Principales etapas de la fabricación de módulos fotovoltaicos de silicio: preparación de polisilicio purificado, colada o trefilado de lingotes, fabricación de obleas, procesamiento de células solares y montaje de módulos.
(b) La curva de aprendizaje de los gastos de capital a lo largo de la cadena de valor, desde la purificación del polisilicio de silicio hasta el ensamblaje de los módulos fotovoltaicos de silicio.
(c) Variación de la eficiencia media de los módulos principales de monosilicio y polisilicio, teniendo en cuenta todos los módulos vendidos en el mercado fotovoltaico de silicio.
(d) El grosor de las obleas y el consumo de silicio en los módulos fotovoltaicos de silicio disminuyen con el tiempo.
Vida útil del portador en el silicio
(1) Mejorar la vida útil efectiva durante el procesamiento de los módulos fotovoltaicos de silicio
Durante el procesado de células solares fotovoltaicas de silicio, la densidad de defectos dentro de una oblea puede cambiar significativamente. Dependiendo de la temperatura de procesado, pueden disolverse o formarse precipitados, en función de su solubilidad y difusividad, y el proceso de absorción puede eliminar metales de transición atrayéndolos y recogiéndolos hacia los de mayor solubilidad.
(2) Fenómeno de degradación de la vida útil del lote
La vida útil del portador al final del proceso de fabricación de la célula solar es importante, pero no suficiente para garantizar una producción de energía solar duradera y eficiente.
Generación de defectos en el silicio en función de la luz y la temperatura
(a) Medida del tiempo de vida efectivo del portador espacialmente resuelto (τeff) de polisilicio tipo p de 5 × 5 cm-2 a 75 °C e iluminación "1 sol" utilizando imágenes de fotoluminiscencia resueltas en el tiempo;
(b) Máxima concentración equivalente de defectos N*max durante los experimentos de degradación utilizando obleas Cz y FZ recubiertas con SiNx:H.
Esquema de una estructura típica de célula solar
(a) Un diseño simple de célula basada en silicio tipo p, donde el fósforo se difunde para formar una cara frontal altamente dopada con n+ y un contacto posterior de Al de área completa forma una cara posterior altamente dopada con p+, que se denomina célula de campo posterior de aluminio (Al-BSF).
(b) Contactos posteriores locales en estructuras de emisor pasivado y célula posterior (PERC).
(c-d) Los contactos locales también se utilizan para pasivar el emisor y las células de postdifusión total (PERT), un diseño adecuado tanto para obleas de tipo p como de tipo n.
(e-f) Células de tipo n diseñadas con contactos pasivados de óxido de túnel (TOPCon), ya sea con contactos de plata evaporada utilizados en I+D o con ablación láser localizada introducida en la industria.
(g) Diseño de heterounión fotovoltaica de silicio en silicio (SHJ), también conocida como heterounión con capas inherentemente finas (HIT).
(h) SHJ para contacto posterior utilizando contacto posterior interdigitado (IBC);
(i) Diseño IBC con campo de superficie frontal (FSF) dopado con n+ y contactos de postdifusión.
Tecnología de células solares fotovoltaicas de silicio
(1) Proceso de la batería Al-BSF
Proceso esquemático de fabricación de células solares con diferentes estructuras
En la mayoría de los emisores y retrocélulas pasivados (PERC), los emisores "selectivos" se crean añadiendo un tercer paso después de la difusión del fósforo, en el que las superficies de vidrio fosforado y silicio cristalino se funden con láser para imprimir posteriormente metal Se crean regiones altamente dopadas en las regiones de los dedos.
(2)Desarrollo a PERC y otros diseños
Características de rendimiento típicas de las células solares de silicio cristalino
(a) Eficiencia cuántica externa (símbolos sólidos) y reflectividad (símbolos abiertos) de las células solares Al-BSF y PERC.
(b) Curvas C-V de las células PERC.
En las células solares PERC y PERT, el metal contacta localmente con el silicio por ambas caras. El resultado es una recombinación significativa que limita la tensión en circuito abierto. Este problema ha despertado el interés por desarrollar contactos pasivados, que consisten en una pila de capas que suprimen los defectos superficiales del silicio, pero garantizan la recogida selectiva de carga hacia los electrodos metálicos.
Otra vía para formar contactos pasivados se basa en el silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H). En todos los métodos que utilizan a-Si:H, los pasos posteriores al procesamiento deben mantenerse por debajo de 200-250 °C: la evolución del hidrógeno a temperaturas superiores a 200 °C provoca una degradación del rendimiento (principalmente por pérdidas de pasivación).
Este efecto puede mitigarse o incluso invertirse a temperaturas de hasta 400 °C, pero por encima de 450 °C, la capacidad de pasivación del a-Si:H se pierde continuamente. Por lo tanto, las pastas de serigrafía de plata no pueden sinterizarse a altas temperaturas como el procesamiento estándar de células, sino que requieren el uso de pastas de baja temperatura de curado.
Minimizar las pérdidas entre módulos
Al pasar de una oblea individual a un módulo completo, existe una diferencia sistemática entre la potencia del módulo y la suma de las potencias de las células individuales; la relación de estas potencias se denomina relación de potencia célula-módulo (CTM), que suele rondar los 95-97%. Además, la eficiencia del módulo es inferior a la eficiencia media de las células, por lo que la relación de eficiencia CTM suele ser de 85-90%.
Mejora continua del sector
La eficiencia media de los módulos aumenta a un ritmo absoluto de aproximadamente 0,3-0,4% al año, y esta tendencia se acentúa con la transición al silicio único y los nuevos diseños de módulos. El aumento de la eficiencia continuará durante la próxima década y, finalmente, gracias a la serie de mejoras descritas, debería alcanzarse la máxima eficiencia práctica de los módulos de silicio de unión única (23-24% para los módulos corrientes, posiblemente 25% para los módulos de gama alta).
Tecnologías alternativas al silicio
La fotovoltaica de silicio domina la industria fotovoltaica de silicio, con una cuota de mercado cercana a 95% en 2020, con una cadena de suministro bien establecida y diseños estandarizados. Aunque otras tecnologías fotovoltaicas tienen ventajas potenciales (como la reducción del uso de material de las películas finas), captar una cuota de mercado menor es un gran reto para ellas, porque tienen que demostrar mejor precio o eficiencia que el silicio, al menos la misma fiabilidad.
De la unidad al módulo
(a) Un análisis típico de pérdidas entre módulos utilizando el paquete de modelización SmartCalc.CTM;
(b) La evolución de los diseños de módulos estándar de 2000 a 2021;
(c) Los módulos fotovoltaicos de silicio se ensamblan en serie mediante células cortadas por la mitad.
Inspiración para los logros
La fotovoltaica de silicio, con un impresionante ritmo de desarrollo en términos de reducción de costes, ha mejorado las eficiencias estables a nivel de células y módulos para productos comerciales. Se sigue investigando para perfeccionar los materiales de silicio y reducir su coste mediante la mejora de los actuales procesos estándar de la industria o el desarrollo de métodos y equipos de bajo coste, así como para mejorar la fabricación de células y hacer posible la próxima generación de productos con contactos pasivados.
En combinación con las mejoras en la tecnología de los módulos (mayor superficie, media célula, cinta de tejas, célula de cinta, multifilamento, métodos de contacto inverso), esto garantizará una mayor reducción de la brecha de eficiencia entre las células solares c-Si fotovoltaicas de silicio de laboratorio actuales, que baten récords.
Debido al coste del sistema en función de la superficie, puede lograrse una mayor eficiencia combinando el silicio con una célula superior de mayor brecha de banda, en la que las perovskitas son las principales candidatas para los absorbedores. Incluso a escala de TW, los dispositivos fotovoltaicos de silicio pueden fabricarse sin materiales escasos, y pueden utilizarse materiales alternativos para elementos clave.
El espacio para la generación de energía solar (transporte a larga distancia, almacenamiento electroquímico) y su conversión en calor, frío o productos químicos, por ejemplo mediante electricidad a gas natural (H2, NH3, etc.) es económicamente sostenible.
En palabras de la Agencia Internacional de la Energía, la industria fotovoltaica de silicio ha pasado en las últimas tres décadas de ser una joya energética a convertirse en el "nuevo rey de la electricidad". La fotovoltaica de silicio desempeñará un papel fundamental en la descarbonización de la economía energética mundial y en la mitigación del cambio climático, y la tecnología fotovoltaica de silicio seguirá desempeñando un papel clave en las próximas décadas.
