¿Cómo se fabrican las células solares de silicio?

Ignacio Mártil

Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

(El contenido de este artículo está recogido de forma más amplia y detallada en el Apéndice C de mi libro: “Energía Solar. De la utopía a la esperanza”; 2020, Guillermo Escolar Editor)

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La energía solar fotovoltaica genera gran interés en los últimos años. El abaratamiento de los precios de los paneles, por una parte y las enormes trabas que se han puesto a esta fuente de energía en España, por otra, hacen que sea frecuente leer noticias relacionadas con esta fuente de energía en medios de comunicación no especializados. No cabe duda de que estamos ante la fuente de energía con mayor proyección de futuro, tal y como atestigua el último informe de la Agencia Internacional de la Energía.

Sin embargo, poco se sabe de sus principios de funcionamiento y menos aún de los procesos de fabricación de las células solares, que son los dispositivos electrónicos que permiten convertir la radiación del sol en energía eléctrica. El primero de los aspectos lo he analizado en este artículo publicado en este blog, que recomiendo leer para poder seguir adecuadamente este texto.

En este artículo, describiré la tecnología de fabricación de las células solares de silicio. Aunque estos dispositivos también se fabrican con otros semiconductores, los módulos de silicio representan más del 90% del mercado fotovoltaico, por lo que me centraré exclusivamente en las realizadas con este elemento químico.

1. Un químico descubre las reglas de la eficiencia: el barril de Liebig

En el siglo XIX, el químico alemán Justus Von Liebig (1803-1873) enunció su “Ley del mínimo”, que describe de una manera muy gráfica qué factores limitan la eficiencia de una cosecha. Para ilustrar su idea, Liebig usó la imagen de un barril, que desde entonces se conoce como el barril de Liebig, para explicar su ley: “De igual forma que la capacidad para almacenar agua de un barril con tablillas de distinta longitud está limitada por la longitud de la más corta de todas, el crecimiento de una planta se ve limitado por el nutriente más escaso”.

Eso es exactamente lo mismo que sucede con la eficiencia de una célula solar: su valor está condicionado y limitado por el parámetro peor de todos. Es decir, aunque todas las variables que determinan su eficiencia sean las mejores posibles, basta con que una no esté optimizada para que sea ésta quien limite el rendimiento:

Justus Liebig y su célebre barril, aplicado a la limitación de la eficiencia de una célula solar. Fuente: S.W. Glunz, High-Efficiency Crystalline Silicon Solar Cells

La consecuencia inmediata de esta ley es que en el proceso de fabricación de la célula solar, todos y cada uno de los pasos que detallaré a continuación tienen que estar afinados al máximo, pues de otro modo, la célula solar no cumplirá con las expectativas de eficiencia previstas.

2. Fabricación de una célula solar de silicio

Hay numerosas tecnologías de fabricación de dispositivos fotovoltaicos y dependiendo del fabricante, hay múltiples variantes que persiguen mejorar la eficiencia, bajar los costes o una combinación de ambos. Independientemente de cual sea el proceso de fabricación de la célula, en todos se realizan los siguientes pasos, que describo esquemáticamente:

i) Elección del sustrato

En un artículo anterior he detallado el procedimiento de purificación y obtención de las obleas (wafer) de silicio, de las que parte el proceso de fabricación. Tras cortarlo a sus dimensiones estándar –15 x 15 cm², con espesores típicos de 200 µm (1 µm = 0,000001 m)–, pulirlo y limpiarlo químicamente, comienza el proceso.

ii) Texturizado de la superficie frontal para reducir la reflexión de luz

La superficie frontal del silicio refleja alrededor del 30% de la radiación solar incidente sobre él, siendo esta una de las principales causas que limitan la eficiencia. Con objeto de reducir esa reflexión, la oblea se somete a un proceso denominado texturización, consistente en un ataque químico selectivo, que deja la superficie con una estructura de pirámides de diversos tamaños. Esas pirámides permiten reducir la reflexión muy sustancialmente, tal y como se muestra en la siguiente figura:

Izquierda: Imagen tomada con microscopia electrónica de barrido de una superficie de silicio texturizada. Derecha: efecto de la textura sobre la radiación solar incidente. Fuente. PVEducation.org

>Izquierda: Imagen tomada con microscopia electrónica de barrido de una superficie de silicio texturizada. Derecha: efecto de la textura sobre la radiación solar incidente. Fuente.

iii) Formación del emisor mediante difusión de átomos de fósforo

La célula solar es una unión de dos zonas, denominadas base y emisor, en las que hay impurezas incorporadas intencionalmente que suministran electrones (cargas negativas) en el emisor y huecos (cargas positivas) en la base; ese proceso se denomina “dopado”, una traducción literal del término doping, usual en la terminología técnica.

El dopado de la base, con impurezas que suministran huecos, se realiza durante el proceso de obtención del sustrato, señalado en el primer paso y la impureza que realiza esta función es el boro, que se incorpora al silicio mientras este se encuentra en fase líquida. Tras el proceso de cristalización, se obtiene la oblea o sustrato, con el boro incorporado.

Para formar el emisor, se debe realizar un proceso adicional de dopado de la base, mediante impurezas que suministran electrones, siendo el fósforo el elemento químico utilizado habitualmente. Este proceso se realiza en hornos que trabajan a alta temperatura (800ºC-900ºC), donde se sitúan los sustratos, a través de los que se hace circular un gas que contiene el fósforo; ese gas es generalmente PSG, acrónimo de Phosphosilicate glass, (P₂O₅)_x(SiO₂)_1-x. El fósforo se incorpora en una zona próxima a la superficie texturizada de la célula, quedando formado así el emisor.

iv) Depósito de capas antirreflectantes y formación del contacto frontal

Para disminuir aún más la reflexión frontal, sobre la superficie del silicio ya texturizado y con el emisor formado, se depositan capas muy delgadas de materiales como el SiO₂ o el SiN_x, que actúan como capas antirreflectantes -el proceso es idéntico al que se realiza para recubrir las lentes de cualquier gafa comercial- [1]; estas capas se depositan por técnicas físico-químicas, denominadas genéricamente Chemical Vapor Deposition (CVD).

A continuación, se forma el contacto frontal sobre el emisor con técnicas de serigrafía; para ello, se extiende una amalgama metálica -una disolución de una consistencia pastosa que incorpora aluminio y plata- sobre la cara frontal de la célula a través de una malla que tiene definida el “layout” del contacto, es decir, unas aperturas a través de las que la pasta metálica se incorpora selectivamente a la superficie del silicio; el “layout” tiene un diseño muy característico, en forma de peine o rejilla. Este contacto se encarga de recoger los electrones generados en la célula por la radiación del sol y su diseño es un compromiso entre una gran transparencia, para que la radiación solar penetre al interior de la célula y un recubrimiento de la superficie óptimo, para asegurar la recolección de todos los electrones generados en el dispositivo. Se muestra en la siguiente figura.

v) Contacto trasero

En la parte trasera de la célula y cubriendo toda su superficie, se deposita también una pasta metálica similar a la empleada para formar el contacto frontal; ese contacto recoge los huecos generados por la radiación incidente. Ambos contactos son sometidos a un calentamiento posterior, mediante el que se logra que el metal se adhiera firmemente al silicio.

El resultado final es una célula solar, cuya eficiencia ha crecido de manera ininterrumpida desde los años 50, gracias a la continua mejora de sus procesos de fabricación. En la actualidad, el record mundial de eficiencia lo ostenta una compañía japonesa, Kaneka Corporation, que fabricó en agosto de 2017 una célula con un valor del 26,6%:

Izquierda: vista frontal de una célula solar. El contacto está formado por dos grandes líneas gruesas (bus) atravesadas por líneas muy delgadas (fingers) que recubren toda la superficie. Derecha: Evolución histórica de la eficiencia de las células solares de silicio; en rojo, el record de eficiencia vigente.

>Izquierda: vista frontal de una célula solar. El contacto está formado por dos grandes líneas gruesas (bus) atravesadas por líneas muy delgadas (fingers) que recubren toda la superficie. Derecha: Evolución histórica de la eficiencia de las células solares de silicio; en rojo, el re

Este video presenta esquemáticamente el proceso completo de fabricación de una célula solar, mostrando todos los pasos señalados en este artículo:

3. Más allá del silicio: células solares fabricadas con otros semiconductores

Las células solares de silicio, en sus dos variantes -mono cristalino (c-Si) y multi cristalino (mc-Si) [2]-, tienen un problema: el elevado coste energético que supone obtener y purificar el material de partida. Esto se cuantifica mediante el tiempo de amortización energética (Energy Pay Back Time, EPBT), que es el tiempo que debe funcionar una célula solar para producir una cantidad de energía igual a la que se utilizó durante su proceso de fabricación e instalación. La figura muestra el EPBT de diversas tecnologías:

EPBT para distintas tecnologías fotovoltaicas en una localización con un nivel global de irradiación de 1925 kWh/m²/año, característico del sur de Europa. Fuente: adaptado de Photovoltaics Report, julio 2017, Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (www.ise.fraunhofer.de)

Con objeto de reducir el EPBT y los costes económicos de fabricación de los sistemas fotovoltaicos, en el mercado existen diversas alternativas, basadas en otros semiconductores. Las describo brevemente a continuación:

CdTe: tanto el Cd como el Te son elementos escasos en la corteza terrestre, por lo que la viabilidad de esta tecnología para la producción de paneles a muy gran escala (100 GW-1 TW) es cuestionable. Hoy en día es la tecnología con el EPBT más reducido, como se aprecia en la figura anterior. El líder mundial es First Solar, una empresa de EEUU.

CGIS (CuGaInSe₂): de modo similar a la tecnología de CdTe, algunos de los elementos químicos que utiliza son muy escasos (principalmente In y Se). Esta es una tecnología desarrollada principalmente en laboratorios y empresas europeas, aunque en la actualidad el principal fabricante es una empresa japonesa, Solar Frontier.

Las tecnologías descritas permiten obtener células solares con EPBT inferiores a las tecnologías de c-Si y mc-Si (ver la figura anterior), pero con eficiencias también inferiores. En la siguiente tabla muestro las eficiencias máximas de células y módulos fotovoltaicos vigentes en la actualidad:

Eficiencias record de células y módulos fotovoltaicos de las tecnologías principales, con datos actualizados a noviembre de 2017

Hay otras células solares basadas en otros semiconductores, fabricadas con silicio amorfo (a-Si) o con GaAs y compuestos afines (GaInP, GaInAs). Las de a-Si se hicieron famosas en los años 80 y 90, ya que eran las que se utilizaban en los relojes y calculadoras de bolsillo, tan de moda en aquellos años; son poco eficientes y tienen una cuota de mercado muy reducida. Las de GaAs son células muy eficientes, pero de elevada complejidad de fabricación y por lo tanto, muy costosas y poco viables para aplicaciones en tierra, al menos con los costes actuales. Se utilizan para suministrar energía a los satélites artificiales, estaciones espaciales y robots de exploración planetarios. Analizaré todas estas tecnologías con más detalle en sucesivos textos.

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[1] La capa antirreflectante tiene un índice de refracción n~2 y sirve para adaptar el índice de refracción del aire (n=1) al del silicio (n~3,5). Esto permite que la reflexión de la luz incidente sobre la cara frontal de la célula se reduzca sustancialmente. Recomiendo al lector interesado en profundizar en estos conceptos la lectura de este artículo.

[2] Una distinción clara y breve entre lo que es un mono cristal y un multi cristal, se puede encontrar en este texto.