Células solares

Las células solares se dividen en silicio cristalino y silicio amorfo, entre los cuales las células de silicio cristalino se pueden dividir en células monocristalinas y células policristalinas; la eficiencia del silicio monocristalino es diferente a la del silicio cristalino.

Clasificación:

Las células solares de silicio cristalino comúnmente utilizadas en China se pueden dividir en:

Monocristal 125*125

Monocristal 156*156

Policristalino 156*156

Monocristal 150*150

Monocristal 103*103

Policristalino 125*125

Proceso de fabricación:

El proceso de producción de células solares se divide en inspección de obleas de silicio, texturizado y decapado de superficies, unión de difusión, desfosforación del vidrio de silicio, grabado y decapado de plasma, recubrimiento antirreflectante, serigrafía, sinterización rápida, etc. Los detalles son los siguientes:

1. Inspección de obleas de silicio

Las obleas de silicio son los portadores de las células solares, y la calidad de las obleas de silicio determina directamente la eficiencia de conversión de las células solares. Por lo tanto, es necesario inspeccionar las obleas de silicio entrantes. Este proceso se utiliza principalmente para la medición en línea de algunos parámetros técnicos de las obleas de silicio, estos parámetros incluyen principalmente irregularidades en la superficie de la oblea, vida útil de los portadores minoritarios, resistividad, tipo P/N y microfisuras, etc. Este grupo de equipos se divide en carga y descarga automática, transferencia de obleas de silicio, parte de integración del sistema y cuatro módulos de detección. Entre ellos, el detector de obleas de silicio fotovoltaico detecta las irregularidades de la superficie de la oblea de silicio y detecta simultáneamente los parámetros de apariencia como el tamaño y la diagonal de la oblea de silicio; el módulo de detección de microfisuras se utiliza para detectar las microfisuras internas de la oblea de silicio; Además, hay dos módulos de detección: uno de prueba en línea se utiliza principalmente para comprobar la resistividad de las obleas de silicio y su tipo, y el otro para detectar la vida útil de los portadores minoritarios. Antes de detectar la vida útil y la resistividad de los portadores minoritarios, es necesario detectar las grietas diagonales y microfisuras en la oblea de silicio y retirar automáticamente la oblea dañada. El equipo de inspección de obleas de silicio permite cargar y descargar obleas automáticamente, y colocar los productos no aptos en una posición fija, mejorando así la precisión y la eficiencia de la inspección.

2. Superficie texturizada

La preparación de la textura de silicio monocristalino consiste en el grabado anisotrópico del silicio para formar millones de pirámides tetraédricas (estructuras piramidales) sobre la superficie de cada centímetro cuadrado de silicio. Gracias a la reflexión y refracción múltiple de la luz incidente sobre la superficie, se incrementa la absorción de luz y se mejoran la corriente de cortocircuito y la eficiencia de conversión de la batería. La solución de grabado anisotrópico del silicio suele ser una solución alcalina caliente. Los álcalis disponibles son hidróxido de sodio, hidróxido de potasio, hidróxido de litio y etilendiamina. La mayor parte del silicio de gamuza se prepara utilizando una solución diluida económica de hidróxido de sodio con una concentración aproximada del 1%, a una temperatura de grabado de 70-85 °C. Para obtener una gamuza uniforme, se deben añadir a la solución alcoholes como etanol e isopropanol como agentes complejantes para acelerar la corrosión del silicio. Antes de preparar la gamuza, la oblea de silicio debe someterse a un grabado superficial preliminar, grabando aproximadamente 20-25 μm con una solución de grabado alcalina o ácida. Tras el grabado, se realiza una limpieza química general. Las obleas de silicio con la superficie preparada no deben almacenarse en agua durante mucho tiempo para evitar la contaminación y deben difuminarse lo antes posible.

3. Nudo de difusión

Las células solares necesitan una unión PN de gran superficie para convertir la energía luminosa en energía eléctrica. Un horno de difusión es un equipo especial para fabricar la unión PN de las células solares. El horno de difusión tubular se compone principalmente de cuatro partes: las partes superior e inferior de la cápsula de cuarzo, la cámara de gases de escape, el cuerpo del horno y la cabina de gases. La difusión generalmente utiliza oxicloruro de fósforo líquido como fuente de difusión. Se coloca la oblea de silicio tipo P en el recipiente de cuarzo del horno de difusión tubular y se utiliza nitrógeno para introducir el oxicloruro de fósforo en el recipiente de cuarzo a una temperatura de 850-900 grados Celsius. El oxicloruro de fósforo reacciona con la oblea de silicio para obtener un átomo de fósforo. Después de un cierto tiempo, los átomos de fósforo penetran en la capa superficial de la oblea de silicio desde todos los lados y se difunden en ella a través de los espacios entre los átomos de silicio, formando la interfaz entre los semiconductores tipo N y tipo P, es decir, la unión PN. La unión PN producida mediante este método presenta buena uniformidad, la no uniformidad de la resistencia laminar es inferior al 10 % y la vida útil de los portadores minoritarios puede superar los 10 ms. La fabricación de la unión PN es el proceso más básico y crítico en la producción de células solares. Debido a su formación, los electrones y huecos no regresan a sus posiciones originales después de fluir, por lo que se forma una corriente continua que se extrae mediante un cable.

4. Vidrio de silicato de desfosforilación

Este proceso se utiliza en la producción de células solares. Mediante grabado químico, la oblea de silicio se sumerge en una solución de ácido fluorhídrico para producir una reacción química que genera un compuesto complejo soluble, el ácido hexafluorosilícico, para eliminar el sistema de difusión. Tras la unión, se forma una capa de vidrio de fosfosilicato sobre la superficie de la oblea de silicio. Durante el proceso de difusión, el POCl₃ reacciona con el O₂ para formar P₂O₃, que se deposita sobre la superficie de la oblea de silicio. El P₂O₃ reacciona con el Si para generar SiO₂ y átomos de fósforo. De esta forma, se forma una capa de SiO₂ que contiene elementos de fósforo sobre la superficie de la oblea de silicio, denominada vidrio de fosfosilicato. El equipo para eliminar el vidrio de silicato de fósforo generalmente consta de un cuerpo principal, un tanque de limpieza, un sistema de servoaccionamiento, un brazo mecánico, un sistema de control eléctrico y un sistema automático de distribución de ácido. Las principales fuentes de energía son el ácido fluorhídrico, el nitrógeno, el aire comprimido, el agua pura, el viento de escape de calor y las aguas residuales. El ácido fluorhídrico disuelve la sílice porque reacciona con ella para generar tetrafluoruro de silicio gaseoso volátil. Si la cantidad de ácido fluorhídrico es excesiva, el tetrafluoruro de silicio producido por la reacción reaccionará aún más con el ácido fluorhídrico para formar un complejo soluble, el ácido hexafluorosilícico.

5. Grabado de plasma

Dado que durante el proceso de difusión, incluso si se adopta la difusión consecutiva, el fósforo inevitablemente se difundirá en todas las superficies, incluidos los bordes de la oblea de silicio. Los electrones fotogenerados recolectados en el lado frontal de la unión PN fluirán a lo largo del área del borde donde el fósforo se difunde hacia el lado posterior de la unión PN, causando un cortocircuito. Por lo tanto, el silicio dopado alrededor de la celda solar debe ser grabado para eliminar la unión PN en el borde de la celda. Este proceso generalmente se realiza mediante técnicas de grabado de plasma. El grabado de plasma está en un estado de baja presión, las moléculas progenitoras del gas reactivo CF4 se excitan mediante energía de radiofrecuencia para generar ionización y formar plasma. El plasma está compuesto de electrones e iones cargados. Bajo el impacto de los electrones, el gas en la cámara de reacción puede absorber energía y formar una gran cantidad de grupos activos, además de convertirse en iones. Los grupos reactivos activos llegan a la superficie del SiO2 debido a la difusión o bajo la acción de un campo eléctrico, donde reaccionan químicamente con la superficie del material a grabar y forman productos de reacción volátiles que se separan de la superficie del material a grabar y son bombeados fuera de la cavidad por el sistema de vacío.

6. Recubrimiento antirreflejos

La reflectividad de la superficie de silicio pulido es del 35 %. Para reducir la reflexión superficial y mejorar la eficiencia de conversión de la celda, es necesario depositar una capa de película antirreflectante de nitruro de silicio. En la producción industrial, se utilizan equipos de PECVD para preparar películas antirreflectantes. PECVD es una deposición química en fase de vapor mejorada con plasma. Su principio técnico consiste en utilizar plasma de baja temperatura como fuente de energía, colocar la muestra sobre el cátodo de la descarga luminiscente a baja presión, calentar la muestra a una temperatura predeterminada y, a continuación, introducir una cantidad adecuada de gases reactivos SiH₄ y NH₃. Tras una serie de reacciones químicas y de plasma, se forma una película de estado sólido, es decir, una película de nitruro de silicio, sobre la superficie de la muestra. En general, el espesor de la película depositada mediante este método de deposición química en fase de vapor mejorada con plasma es de aproximadamente 70 nm. Las películas de este espesor tienen funcionalidad óptica. Utilizando el principio de interferencia de película delgada, se puede reducir en gran medida el reflejo de la luz, aumentar en gran medida la corriente de cortocircuito y la salida de la batería, y la eficiencia también mejorar enormemente.

7. serigrafía

Tras los procesos de texturizado, difusión y PECVD, la célula solar se forma una unión PN que genera corriente bajo iluminación. Para exportar la corriente generada, es necesario fabricar electrodos positivos y negativos en la superficie de la batería. Existen diversas maneras de fabricar electrodos, siendo la serigrafía el proceso más común. La serigrafía consiste en imprimir un patrón predeterminado sobre el sustrato mediante gofrado. El equipo consta de tres partes: impresión con pasta de plata y aluminio en la parte posterior de la batería, impresión con pasta de aluminio en la parte posterior y impresión con pasta de plata en la parte frontal. Su principio de funcionamiento es el siguiente: se utiliza la malla del patrón de la pantalla para penetrar la suspensión, se aplica cierta presión sobre la parte de la suspensión con una rasqueta y se avanza simultáneamente hacia el otro extremo de la pantalla. La rasqueta exprime la tinta de la malla de la parte gráfica sobre el sustrato a medida que se mueve. Debido al efecto viscoso de la pasta, la impresión se fija dentro de un rango determinado y la escobilla de goma siempre está en contacto lineal con la placa de serigrafía y el sustrato durante la impresión, y la línea de contacto se mueve con el movimiento de la escobilla para completar la carrera de impresión.

8. sinterización rápida

La oblea de silicio serigrafiada no se puede utilizar directamente. Debe sinterizarse rápidamente en un horno de sinterización para eliminar el aglutinante de resina orgánica, lo que deja electrodos de plata casi pura, estrechamente adheridos a la oblea de silicio gracias a la acción del vidrio. Cuando la temperatura del electrodo de plata y del silicio cristalino alcanza la temperatura eutéctica, los átomos de silicio cristalino se integran en el material del electrodo de plata fundido en una proporción determinada, formando así el contacto óhmico entre los electrodos superior e inferior y mejorando la tensión de circuito abierto y el factor de llenado de la celda. El parámetro clave es dotarla de características de resistencia para mejorar la eficiencia de conversión de la celda.

El horno de sinterización se divide en tres etapas: presinterización, sinterización y enfriamiento. La presinterización tiene como objetivo descomponer y quemar el aglutinante polimérico en la suspensión, y la temperatura aumenta lentamente en esta etapa. En la sinterización, se completan diversas reacciones físicas y químicas en el cuerpo sinterizado para formar una estructura de película resistiva, lo que le otorga una resistencia excepcional. En esta etapa, la temperatura alcanza su punto máximo. En la etapa de enfriamiento, el vidrio se enfría, endurece y solidifica, de modo que la estructura de película resistiva se adhiere firmemente al sustrato.

9. Periféricos

En el proceso de producción de células solares, también se requieren instalaciones periféricas como suministro de energía, suministro de agua, drenaje, climatización (HVAC), vacío y vapor especial. Los equipos de protección contra incendios y protección ambiental son de especial importancia para garantizar la seguridad y el desarrollo sostenible. Para una línea de producción de células solares con una producción anual de 50 MW, el consumo de energía, tanto del proceso como de los equipos de energía, es de aproximadamente 1800 kW. El agua pura de proceso es de aproximadamente 15 toneladas por hora, y los requisitos de calidad del agua cumplen con la norma técnica EW-1 de agua de grado electrónico de China (GB/T11446.1-1997). El agua de refrigeración de proceso también es de aproximadamente 15 toneladas por hora, el tamaño de partícula en el agua no debe ser superior a 10 micras y la temperatura del suministro de agua debe estar entre 15 y 20 °C. El volumen de escape de vacío es de aproximadamente 300 m³/h. Al mismo tiempo, también se requieren aproximadamente 20 metros cúbicos de tanques de almacenamiento de nitrógeno y 10 metros cúbicos de tanques de almacenamiento de oxígeno. Teniendo en cuenta los factores de seguridad de los gases especiales, como el silano, también es necesario instalar una sala de gases especial para garantizar la seguridad absoluta de la producción. Además, las torres de combustión de silano y las plantas de tratamiento de aguas residuales son instalaciones necesarias para la producción de celdas.