¿Cómo se fabrican los paneles solares?

Se acaba de instalar un nuevo proyecto solar en EE.UU.

Configure un temporizador durante 60 segundos y espere. Tal vez dar un paso afuera y tomar un poco de luz solar.

¡Zing!—Se acaba de instalar otro proyecto solar.

El sol brilla sobre la industria solar; los números son impresionantes. Hoy en día, hay suficiente capacidad solar en los EE. UU. para alimentar el equivalente a 23 millones de hogares, según la Asociación de Industrias de Energía Solar (SEIA). Eso es 126 gigavatios (GW), provenientes de millones de sistemas solares en todo el país.

La industria solar de EE. UU. se valoró en $ 33 mil millones en 2021, empleó a más de 230,000 personas y continuó creciendo en capacidad de energía a una tasa promedio de 33 por ciento por año.

Los paneles solares generaron casi el 4 por ciento de la electricidad en los EE. UU. en 2021, frente a menos del 1 por ciento en 2015. En algunos lugares, ese número es mucho mayor; por ejemplo, el 17 % de la generación de electricidad de California provino de la energía solar en 2021. Casi la mitad de toda la nueva capacidad de energía agregada a la red de EE. UU. en 2021 provino de la energía solar. Aún más alentador, para 2030, la industria solar tiene como objetivo generar casi un tercio de la electricidad de EE. UU.

Con tantos paneles solares planificados para los próximos años, es posible que se pregunte: ¿qué son exactamente los paneles solares y cómo se fabrican?

Hay dos tipos de tecnología solar para la generación de electricidad. Los más comunes son los paneles o módulos fotovoltaicos (PV), que utilizan la luz del sol para producir electricidad. Otra tecnología, la concentración de energía solar (CSP), utiliza el calor del sol en su lugar.

El tipo más común de panel fotovoltaico se fabrica con silicio cristalino (c-SI). Esa tecnología representa el 84% de los paneles solares de EE. UU., según el Departamento de Energía de EE. UU. Otros tipos incluyen telururo de cadmio, paneles de (di) seleniuro de cobre, indio y galio y silicio amorfo de película delgada. Debido a que los paneles c-SI componen la mayor parte del mercado global y de EE. UU., me centro en ellos en este blog.

Construir un panel solar de silicio cristalino es un poco como construir un castillo de arena, ¡porque el silicio proviene de la arena! La arena de la playa es dióxido de silicio, también conocido como sílice. (Si la patrulla de la playa pusiera eso en una señal de advertencia, ¡apuesto a que nadie pondría un pie en la playa!). El silicio, en forma de arena y grava de dióxido de silicio, es el segundo elemento más abundante en la Tierra, después del oxígeno.

Antes de que se use en un panel solar, el dióxido de silicio debe convertirse en puro "silicio de grado metalúrgico" (MGS). Este proceso utiliza mucha energía: producir 1 kilogramo de silicio de grado metalúrgico requiere de 14 a 16 kWh de energía, lo que equivale aproximadamente a usar el horno doméstico durante siete horas. Aún así, durante su vida útil, los paneles solares emiten 25 veces menos dióxido de carbono equivalente por kilovatio hora que la electricidad alimentada con carbón.

¡Descanso de química! La receta para cocinar silicio de grado metalúrgico es

Agregue 1 parte de dióxido de silicio (grava) y 2 partes de carbono (de carbón, carbón vegetal o astillas de madera) a un horno de arco eléctrico

Sube el calor a 2200 grados centígrados (¡esto es un tercio de la temperatura del sol!)

Ta-da! Te queda un 99% de silicio puro y monóxido de carbono (eso es del carbono que agregamos, unido al oxígeno que eliminamos del dióxido de silicio)

Pero los paneles solares son perfeccionistas; exigen que el silicio esté cerca del 100 % de pureza. Para lograrlo, necesitamos actualizar el silicio a un metal de polisilicio aún más puro mediante un proceso que involucra ácido clorhídrico y gas hidrógeno. (Dato curioso: alrededor del 12% de la producción mundial de silicio se procesa actualmente en polisilicio para paneles solares).

Después de agregar el ácido y el gas, nos quedan trozos de polisilicio metálico, que normalmente se vuelven a fundir en un molde cilíndrico de aproximadamente 5 metros de largo. Se agrega boro para darle al metal una carga eléctrica positiva en un lado. El silicio caliente y derretido se enfría y forma una estructura monocristalina ("monocristalina") como un lingote cilíndrico. Los lingotes son cualquier material moldeado en forma rectangular, como barras de oro.

(Otro proceso se usa para hacer obleas de silicio "policristalino", en las que se forman múltiples cristales. Este proceso tiende a conducir a paneles menos eficientes pero puede reducir el costo de las obleas).

A continuación, una sierra de alambre corta los bloques de polisilicio de metal puro en láminas delgadas como el papel, generalmente de 7 pulgadas por 7 pulgadas, llamadas obleas.

Las obleas se calientan en un horno y se agrega una capa delgada de fósforo, lo que le da a un lado (el opuesto al lado positivo de boro) una carga negativa. A continuación, se agrega una capa antirreflectante a las obleas porque, sin ella, estos discos brillantes reflejan la luz solar y queremos que la absorban. En esta etapa, las obleas ahora son capaces de absorber la energía del sol y convertirla en electrones. ¡Ahora necesitamos agregar conductores de metal plateado para que esos electrones puedan convertirse en una corriente eléctrica que los dispositivos puedan usar!

La plata, el elemento más conductor del mundo, intercepta los electrones en las obleas de silicio y los convierte en corriente. Las obleas de silicio forman ahora una célula solar conductora. Cada panel solar, que generalmente contiene 60 o 72 celdas, utiliza alrededor de 20 gramos de plata, una fracción del peso del panel pero alrededor del 10% de su costo total.

Los conductores de metal de cobre y el cableado conectan las células solares en un gran panel solar, lo que le da la clásica apariencia de matriz. El cobre es un buen conductor eléctrico y muy maleable, lo que lo convierte en un gran material para formar el cableado que mueve la corriente a través del panel.

¡Borrar! Se ha hecho un panel solar.

Ahora multiplíquelo por alrededor de 60 millones solo para los EE. UU., cada año.

Y luego acelerarlo porque necesitamos que la energía solar desempeñe un papel cada vez mayor en el logro de nuestros objetivos climáticos y de energía limpia.

Hay mucho que hacer para que la energía solar suceda más allá de la construcción de paneles, pero acelerar de manera responsable la fabricación e instalación de paneles solares es un paso fundamental en el viaje hacia un futuro de energía renovable justo y sostenible.

¿Quiere saber más sobre la cadena de suministro de paneles solares? ¿Qué países están impulsando la extracción de materiales fotovoltaicos y la fabricación fotovoltaica? ¿Cómo es hoy la industria de reparación y reutilización de paneles solares? ¿Cómo podemos reciclar los materiales de los paneles solares y crear una cadena de suministro circular con menos residuos? ¡Haga clic en los enlaces para obtener respuestas!

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Publicado en:Energía

Etiquetas:Manufactura, Energía renovable, ciclo de vida de energía renovable, solar, fotovoltaica solar

Sobre el Autor

Charlie Hoffs se desempeñó como becario Schneider de verano de la UCS de 2022 en Cambridge, Massachusetts. Obtuvo su licenciatura en ingeniería química de la Universidad de Stanford en 2022 y actualmente está cursando una maestría en investigación de prevención y salud comunitaria en Stanford. En abril de 2020, cofundó y continúa codirigiendo unBox, una organización dirigida por jóvenes que trabaja para unir y empoderar a los jóvenes para luchar contra la inseguridad alimentaria en los Estados Unidos.

Rachel Cleetus Directora de políticas

Líder analítico de la campaña de energía de John Rogers

Maria Chavez Analista de Energía