De qué están hechos los paneles solares?
Si estás iniciándote en el mundo de la energía solar, es posible que te preguntes de qué están hechas las celdas solares fotovoltaicas que convierten la luz del sol en electricidad. Te sorprenderá saber que la respuesta está detrás de uno de los recursos más abundantes de la Tierra.
Los paneles solares están hechos de láminas de silicio que se fabrican a través de un proceso que requiere mucha energía y en el que la arena natural de la playa se convierte en silicio de alta calidad para luego ser cortado para formar unas láminas interconectadas de un grosor micrométrico. El silicio es el segundo recurso mineral más abundante de nuestro planeta y se extrae principalmente de la arena de playa. Sin embargo, para que el silicio se extraiga y forme células capaces de convertir la luz solar en electricidad, es necesario un complejo proceso de fabricación en el que intervienen otros elementos y materiales.
Fabricación de paneles solares: materiales y producción
El silicio, dopado con fósforo y boro, es utilizado para fabricar los paneles solares. Otros materiales que cubren las células están formados por láminas protectoras de polímero termoplástico, vidrio y aluminio. Además, están los cables que permiten la interconexión entre las células solares. Así pues, estos son los materiales que componen los paneles solares.
Materiales semiconductores
El material semiconductor más utilizado para fabricar paneles solares es el silicio, con el que se fabrican los paneles solares monocristalinos y policristalinos más habituales.
También se utilizan otros elementos para fabricar otros tipos de módulos, como el selenio, el telurio, el arseniuro de galio y el indio. Estos minerales se utilizan como materia prima para los paneles solares porque sus propiedades semiconductoras permiten crear un campo eléctrico en las células solares que impulsa el movimiento de los electrones, es decir, la electricidad.
La mayoría de los módulos monocristalinos y policristalinos están hechos de silicio. El silicio es extraído principalmente en China, con una producción de aproximadamente 5,4 millones de toneladas métricas para el año 2020, lo que corresponde al 70 % del total producido a nivel mundial. Los otros semiconductores, como el teluro de cadmio, el selenio, el indio y el galio, se utilizan de forma generalizada en los paneles solares de capa fina, que tienen una menor eficiencia de las células solares, pero también cuestan menos que los paneles solares convencionales.
Materiales conductores
Los materiales conductores tales como el boro y el fósforo en estado puro son necesarios para permitir el paso de la corriente, los cuales en combinación con el silicio crean el campo eléctrico necesario para la conducción de la corriente eléctrica.
Vidrio, aluminio y polímero termoplástico
Los materiales encargados de la protección de los paneles solares son las capas de polímero termoplástico y la capa de vidrio antirreflectante, utilizadas por su excelente transmisión de la radiación solar y por la protección de la célula contra los agentes atmosféricos, lo que mejora la vida útil del panel.
Además, otro elemento necesario para la unión de todos los materiales es el marco de aluminio. Las propiedades físicas del aluminio aportan un buen nivel de resistencia para los paneles.
Estructura de los paneles solares
Los paneles solares están formados por varios materiales y componentes, cada uno de ellos con una función específica, que se describen a continuación:
Marco
Le da una solidez mecánica al conjunto al unir todas las piezas y garantizar su integridad. Además, el marco de un panel solar permite su inserción en estructuras de montaje que agruparán los módulos en un panel. El material con el que se fabrica es normalmente el aluminio, aunque también puede ser de otros materiales resistentes a diferentes condiciones climáticas; incluso a condiciones extremas, como el granizo.
Vidrio
Es un vidrio templado antirreflectante con cualidades de transmisión de luz superiores al 90 % que tiene la función de proteger el panel fotovoltaico de los efectos negativos de los factores atmosféricos.
Láminas encapsuladas
Son las responsables de proteger las células solares y sus contactos. Se componen principalmente de vidrio polimerizado con resinas y acrílicos. Además, los materiales utilizados (Etil-Vinil-Acetileno o EVA) proporcionan una excelente transmisión a la radiación solar, por lo tanto como una degradación nula contra la radiación ultravioleta.
Células solares
Las células fotovoltaicas son los elementos más importantes de un panel solar. Se trata de elementos semiconductores capaces de generar electricidad a partir de la radiación solar. Estas células fotovoltaicas están interconectadas en filas y columnas, por grupos de 60, 72 o 96 según el tamaño y el objetivo de energía que se quiera alcanzar.
Lámina trasera
Se encarga de proteger la parte posterior del panel contra los elementos atmosféricos, creando una barrera impenetrable contra la humedad. Suelen estar fabricados con materiales acrílicos, Tedlar o EVA y suelen ser blancos, ya que esto mejora el rendimiento del panel debido a la reflexión que produce en las células.
Caja de conexiones
Es el lugar donde se instalan las salidas de los terminales del circuito eléctrico. Está fijada en la parte trasera del panel y es impermeable, teniendo las salidas de dos cables, uno positivo y otro negativo. En la caja de conexiones de los paneles solares también se incluyen diodos de derivación que protegen las células solares de fenómenos como los puntos calientes.
Tipos de paneles solares y sus métodos de fabricación
Para fabricar células fotovoltaicas hay que tener en cuenta el tipo de panel que se va a producir. Se trata de las siguientes opciones tecnológicas: monocristalina, policristalina y de capa fina.
Paneles monocristalinos
Son de color oscuro y su forma es cuadrada con esquinas redondeadas para mantener unos costes de producción bajos y un buen nivel de rendimiento.
Estas células son fabricadas con el proceso Czochralski. El mismo consiste en introducir una varilla con un cristal semilla en un extremo de un baño de semiconductor fundido y hacerlo subir lentamente en condiciones de enfriamiento muy controladas. El resultado del proceso es la obtención de un único cristal en forma de varilla y sin impurezas.
Paneles policristalinos
Una célula policristalina está formada por varios cristales de silicio. Se forma fundiendo diferentes semillas de silicio y vertiéndolas en moldes cuadrados donde se deja enfriar y solidificar, luego se limpia el material y se texturiza para añadir la capa antirreflectante. Finalmente, se colocan los conductores correspondientes.
El proceso de fabricación de una célula policristalina es más sencillo que el de la monocristalina, esto hace que su rendimiento sea menor, por lo que estos paneles se consideran de gama media en cuanto a eficiencia y precio, lo que ha permitido que tengan una gran utilización.
Paneles de capa fina
Se fabrican colocando varias capas finas de silicio una encima de otra hasta formar el módulo. Hay diferentes tipos de células solares de capa fina, y la forma en que se diferencian entre sí se reduce al material utilizado para hacerlas, estas son las siguientes: silicio amorfo, teluro de cadmio, seleniuro de cobre, indio, galio, y células fotovoltaicas orgánicas.
Proceso de fabricación
Teniendo en cuenta que el proceso de fabricación de los distintos tipos de células tiene algunas diferencias, es importante describir los pasos generales que deben seguirse para la producción de un panel fotovoltaico:
La arena se convierte en silicio cristalizado
El silicio cristalizado se fabrica con arena a una temperatura muy alta (2000 °C) en un horno. El método de calentamiento de la arena en el horno crea rocas sólidas de silicio, que se recogen del fondo una vez enfriado.
Formación de lingotes
Las rocas de silicio cristalizado que se recogen del fondo del horno se funden para formar lingotes de silicio en forma de cilindro. Cuando el silicio se funde, el operario se asegura de que los átomos se alineen durante todo el proceso y les infunde boro, lo que les da a los lingotes una polaridad eléctrica positiva.
Esmerilado, pulido y montaje de la célula
Una vez que los lingotes de silicio se enfríen, se esmerilan y pulen hasta obtener caras lisas y planas para cortar los discos de pocos milímetros de grosor, con el fin de reducir los residuos y aumentar la eficacia de la producción.
Conductores de polarización eléctrica
A las láminas de silicio se les añade un conductor como el boro y se forman dos tipos de silicio, el N y el P, el tratamiento de ambos crea un desequilibrio de energía en el panel solar.
Construir el circuito de la célula solar
Cuando se forma el panel solar, los silicios de tipo P y de tipo N se colocan en capas y se sueldan entre sí, de modo que cuando la luz solar incide en el panel, el desequilibrio estimula el movimiento de los electrones en un circuito cerrado. Este proceso se produce repetidamente y es esta repetición la que genera electricidad.
Revestimiento del panel solar
Durante el proceso de fabricación se añade vidrio y los paneles solares se recubren con una capa antirreflectante que favorece la absorción de la luz solar directa.
Montaje
Por último, se procede a asegurar y apretar el montaje de todo el módulo, dejándolo listo para ser instalado.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es la proporción media de cada mineral o material en un panel solar?
Los módulos fotovoltaicos convencionales contienen los siguientes materiales: 5 % de silicio (células solares), 1 % de cobre (interconexiones), 8 % de aluminio (marcos), 10 % de polímeros o plástico (láminas de encapsulación) y 76 % de vidrio (superficie del módulo).
¿Dónde se fabrican los paneles solares?
China es, por lejos, el mayor fabricante de paneles solares del mundo, con casi un 71 % de participación en la industria. A China le siguen Malasia (6 %), Corea (6 %), Estados Unidos (3 %), Europa (2 %), Japón (1 %), Taiwán (1 %) e India (1 %). El 9 % restante se reparte entre el resto del mundo.
¿Por qué el proceso de fabricación de los paneles solares se llama proceso Czochralski?
El método lleva el nombre de Jac Czochralski, un científico polaco que lo desarrolló en 1915. A pesar de que el método se desarrolló hace más de 100 años, sigue siendo el único utilizado para la fabricación de paneles solares con lingotes de silicio.
Conclusión
Para aprovechar la energía renovable del sol y transformarla en electricidad mediante paneles solares, la materia prima suele ser el segundo elemento más abundante del planeta. El silicio tiene un proceso de fabricación complejo, lo que ha llevado a utilizar otros elementos semiconductores, así como diferentes modelos para la producción de paneles, pero aún no cumplen con el mismo nivel de eficiencia.