Fabricar una célula solar de silicio implica una compleja secuencia para transformar el cuarzo extraído de una mina en un dispositivo que al ser expuesto al sol proporcione electricidad de una manera barata, fiable y duradera. Todo un reto para el que se necesita el concurso de las industrias metalúrgica, química y de semiconductores.
El proceso comienza con la reducción carbotérmica del cuarzo en un horno de arco, a temperaturas que superan los 1500ºC, para obtener el llamado silicio metalúrgico, con una pureza del 98-99%. Se necesitan purezas mucho mayores, ¡por encima del 99,9999%!, para lo cual se recurre en el llamado proceso Siemens a transformar el silicio metalúrgico en un compuesto líquido a temperatura ambiente, el triclorosilano, que permite su destilación y ultrapurificación a los niveles requeridos, para luego volver a convertirlo en silicio sólido.
No es suficiente con tener un silicio tan puro, sino que además se requiere que los átomos estén ordenados formando una red cristalina extensa, para lo cual se recurre a fundir el silicio, a temperaturas por encima de los 1400ºC, y luego enfriar muy lenta y controladamente, en hornos llamados crecedores, que dan lugar a bloques de silicio que luego se recortan en paralelepípedos de aproximadamente 1-2 metros de longitud y 15 ×15 cm2 de área, y se rebanan con sierras multihilo para producir obleas de silicio, de un espesor en el rango de 200 micrómetros, que son los sustratos sobre los que se fabrican las células propiamente dichas.
En una célula solar convencional (conocida como célula BSF, de las siglas Back Surface Field) a dicha oblea de silicio se le hace un tratamiento superficial, se difunden átomos de fósforo en una delgada región de la parte frontal a partir de un precursor químico en un horno de cuarzo, y sobre ella se deposita una capa antirreflectante de nitruro de silicio en un reactor de depósito químico en fase vapor, para posteriormente depositar por un proceso serigráfico una malla metálica frontal rica en plata (el contacto negativo) y una capa posterior rica en aluminio con algunas zonas ricas en plata para hacer el contacto positivo.
La célula BSF han dominado la producción históricamente, pero en muy poco tiempo se ha visto superada por la célula PERC (de las siglas Passivated Emitter and Rear Cell), en la que la capa posterior rica en aluminio se sustituye por una capa dieléctrica, es decir aislante (que suele ser de óxido de aluminio), y solo se contacta con el sustrato de silicio perforando dicha capa aislante en zonas concretas para formar un contacto local rico en aluminio. Esta estrategia permite que la célula dé mayor eficiencia, superando el límite del 20% de una célula BSF y alcanzando en algunas líneas industriales hasta un 23%.
Pero la industria tiene ya propuestas preparadas para seguir incrementando la eficiencia por encima de ese valor. En concreto, con las que se conocen como tecnologías de “contactos pasivados”, que básicamente depositan en ambas superficies de la oblea de silicio un dieléctrico ultrafino (de unos pocos nanómetros de espesor) y sobre él capas conductoras de ciertas características, de forma que toda la superficie está pasivada, y el flujo de electrones se produce por efecto túnel. El ejemplo más maduro de esta tecnología, presente en el mercado desde hace una década, es la llamada tecnología HIT (del inglés Heterojunction with Intrinsic Thin Layer), en el que las capas superficiales son de silicio amorfo.
Otra aproximación es la de las células IBC (Interdigitated Back-Contacted Cell), en el que ambos contactos (positivo y negativo) están en la parte posterior de la célula, de forma que se evita el sombreado de la malla metálica frontal y se aprovecha así toda la superficie, maximizando la absorción de fotones.
El récord de eficiencia de una célula de silicio lo ostenta en la actualidad la empresa Kaneka, que combina estas dos últimas aproximaciones: con una IBC con contactos pasivados mediante silicio amorfo alcanza el 26,7%.
¿Se llegará entonces con esta estructura al límite práctico para una célula de silicio? Ya se está trabajando en la siguiente generación de dispositivos, la de las células tándem o multiunión, en las que sobre una célula de silicio se dispondrá otra realizada sobre un semiconductor distinto, con mayor ancho de banda prohibida, y que permitirá alcanzar eficiencias del 30% o superiores.
La carrera por el aumento de eficiencia continúa.
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Referencias:
- A. Luque and S. Hegedus, “Handbook of photovoltaic science and engineering”, 2nd Ed. Wiley, West Sussex, 2011
- Chapter 5. Solar grade silicon feedstock
- Chapter 6. Bulk crystal growth and wafering for PV
- Chapter 7. Crystalline silicon solar cells and modules
- SW Glunz, R Preu, D Biro, «Crystalline silicon solar cells – state of the art and future developments», in Comprehensive Renewable Energy, Vol. 1 (Elsevier, 2012)
