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Una forma más brillante de fabricar células solares
La fabricación de células solares implica someter las obleas de silicio a temperaturas superiores a los 1.000 ° C. El proceso normalmente implica el uso de elementos calefactores y requiere mucha energía.
Un nuevo horno óptico desarrollado por investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Golden, Colorado, calienta las obleas solares al enfocar la luz sobre ellas, un proceso mucho más eficiente que usa aproximadamente la mitad de la energía de un horno convencional. Más importante aún, el nuevo diseño también usa luz para eliminar ciertas impurezas de las obleas de silicio, un paso que puede mejorar la salida de energía de las celdas terminadas.
El trabajo se encuentra en una etapa inicial; hasta ahora, los investigadores solo han mejorado la eficiencia de las células solares resultantes en medio punto porcentual. Pero según las pruebas de laboratorio, creen que pueden aumentar la eficiencia en cuatro puntos porcentuales, de aproximadamente un 16 por ciento de eficiencia a un 20 por ciento, lo que sería un gran problema en la industria solar, que celebra aumentos de incluso medio por ciento.
Se necesitan altas temperaturas en más de un paso durante la fabricación de células solares. Los hornos se utilizan para introducir dopantes en el silicio para crear campos eléctricos dentro del material, crear contactos eléctricos y oxidar superficies para mejorar la eficiencia. El nuevo horno también permite un mejor control de algunos de estos procesos, lo que puede mejorar la eficiencia de una celda solar.
El diseño de NREL no es el único que utiliza luz para procesar silicio. Los hornos de procesamiento térmico rápido, utilizados en la industria de la microelectrónica, también utilizan luz para calentar semiconductores. Pero los nuevos hornos utilizan cerámicas altamente reflectantes y resistentes al calor para garantizar que la luz sea absorbida solo por una oblea de silicio, no por las paredes dentro del horno. Eso lo hace mucho más eficiente, dice Bhushan Sopori, el investigador a cargo del proyecto del horno en NREL.
Al diseñar con precisión la forma del interior del horno, los investigadores pueden controlar exactamente dónde se enfoca la luz, asegurando que las obleas se calienten de manera uniforme. No es suficiente asegurarse de que la oblea esté iluminada de manera uniforme; los bordes deben recibir más luz porque pierden calor más rápidamente que el resto de la oblea.
El proceso reduce el estrés térmico en las obleas y permite un control preciso sobre las reacciones químicas que permite el calentamiento. El control preciso de las velocidades y la sincronización del calentamiento también puede mejorar los contactos eléctricos en la celda solar, mejorando su eficiencia. Y hace que sea práctico introducir un paso de oxidación. La oxidación ha sido utilizada típicamente por solo unos pocos fabricantes para células solares de alta gama, pero el nuevo proceso lo haría más barato y, por lo tanto, permitiría que más fabricantes lo utilicen.
Sopori dice que NREL ha desarrollado procesos que aprovechan mejor los efectos fotónicos que los hornos de procesamiento térmico rápido. A medida que los fotones interactúan con el silicio, pueden hacer que las impurezas deletéreas, como el hierro, se muevan fuera del material, mientras conservan las ventajosas como el boro, que es necesario para que la célula solar funcione correctamente.
Los investigadores aún no se han dado cuenta de la mejora completa de cuatro puntos porcentuales en la eficiencia, en parte porque los nuevos pasos de procesamiento no son todos compatibles con otros pasos en la fabricación convencional. Sopori dice que están trabajando para modificar los otros pasos para aprovechar al máximo el horno óptico.
NREL también está trabajando con Advanced Optical Systems para desarrollar una máquina que pueda procesar no solo una oblea a la vez, como con la versión de laboratorio, sino hasta 2000. Este alto rendimiento será necesario para que los hornos compitan con los convencionales, que son baratos de operar.