¿Qué tan bajo (y qué tan verdes) pueden llegar las células solares?

Jun 21, 2023

La oblea de silicio NexWafe dice adiós corte, hola células solares flexibles, livianas y de bajo costo.

Por

Publicado

El argumento económico a favor de la energía fósil está al borde del colapso, y la empresa alemana NexWafe GmbH está a punto de darle un último empujón hacia el abismo. NexWafe está construyendo una nueva fábrica que enviará nuevas obleas de silicio de bajo costo al mercado de células solares. Para dorar el lirio verde, parte del ahorro de costos implica corte, una palabra curiosa para el grave problema del desperdicio de materiales.

Las obleas de silicio forman el corazón de las células solares de silicio, y los fabricantes se han esforzado por encontrar formas más eficientes de producir obleas. El método de fabricación elegido actualmente implica fundir silicio en una masa de silicio policristalino (también conocido como polisilicio, entre otros nombres) y eliminar las impurezas. Luego se utiliza un proceso de crecimiento de cristales semilla llamado método Czochralski para “sacar” lingotes de silicio monocristalino de la masa. Finalmente, los lingotes se cortan en obleas.

Las obleas de silicio también se pueden fabricar a partir de lingotes policristalinos. Las células solares fabricadas con obleas policristalinas tienden a tener una menor eficiencia de conversión solar. El lado positivo es que tienden a costar menos y se consideran una opción razonable para algunos casos de uso.

De cualquier manera, todo el proceso de fabricación de obleas requiere tiempo, energía y dinero. Parte del dinero se destina al corte, que se refiere a los residuos de silicio que se producen cuando se cortan los lingotes. Es como el aserrín, pero de silicona. El fabricante de equipos Meyer Burger presentó en 2014 una nueva fresa de diamante para lingotes de silicio con reducción de corte, pero todavía hay margen de mejora.

De hecho, el método Czochralski se remonta a 1915 y lleva el nombre de su inventor, el científico polaco Jan Czochralski, a quien se le ocurrió el proceso cuando sumergió su pluma en un tintero y en su lugar golpeó estaño fundido (así dice Wikipedia). . Es evidente que ha llegado el momento de un cambio.

Eso nos lleva a NexWafe. La empresa acaba de recibir una inyección de 30 millones de euros (algo más de 32 millones de dólares) para acelerar las obras de una instalación de producción a escala comercial, que se ubicará en Bitterfeld, una ciudad en el sureste del estado alemán de Sajonia. Anhalt. Si todo va según lo previsto, le seguirá otra fábrica en Arabia Saudí.

El proyecto Bitterfeld es el último paso de un largo camino en materia de I+D. NexWafe surgió del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar ISE en 2015 con la ayuda de Franhofer Venture. A la startup se le encomendó la tarea de implementar un nuevo método de producción sin corte desarrollado por el equipo de investigación de Stefan Rebar durante los últimos 15 años.

Rebar es el cofundador de NexWafe y todo ese arduo trabajo está a punto de dar sus frutos. La nueva oblea sin corte "EpiNex" se basa en epitaxia, que es un método para hacer crecer cristales sobre un sustrato. Si el sustrato es removible, se obtiene una capa ultrafina de cristales en la forma y el tamaño deseados, sin necesidad de un paso de corte que produzca un corte.

“El proceso se centra en la deposición química de vapor a presión atmosférica (APCVD) a temperaturas de hasta 1300°C. Este proceso es bien conocido en la microelectrónica, pero en términos de rendimiento del equipo tuvo que adaptarse radicalmente a las aplicaciones fotovoltaicas”, explicó Fraunhofer en un comunicado de prensa de 2015.

“Stefan Reber y su equipo de 30 personas han desarrollado diferentes generaciones de reactores de deposición, que van desde configuraciones de laboratorio muy flexibles por lotes hasta grandes sistemas en línea de múltiples cámaras con la opción de depositar continuamente capas epitaxiales dopadas con p y n. ” Fraunhofer continuó, con p- y n- refiriéndose a dos variaciones diferentes de células solares.

Según NexWafe, la nueva oblea de silicio sin corte costará un 30% menos que las obleas convencionales, así que, si es cierto.

“Totalmente compatible con la fabricación de células solares convencionales, NexWafe ofrece una reducción del 70% en el consumo de energía durante la fabricación. El proceso de fabricación continuo y directo de gas a oblea de NexWafe también minimiza el desperdicio, lo que da como resultado obleas que son un 30% menos costosas que las obleas convencionales”, afirma la empresa.

NexWafe ya ha demostrado su proceso en obleas EpiNex que tienen sólo 50 micrones de ancho, o aproximadamente el diámetro de un cabello humano. También tienen menos de un tercio del grosor de las obleas convencionales. Esto abre una gama más amplia de aplicaciones de células solares que requieren un peso más ligero y una mayor flexibilidad.

Una vez que la fábrica esté en funcionamiento, NexWafe espera alcanzar el objetivo de 90 micras.

Al no existir nada gratis, la producción de silicio es un proceso industrial con impactos industriales. Aún así, una reducción estimada del 70% en el consumo de energía no es poca cosa. Según calcula NexWafe, ese ahorro se traduce en un ahorro de más de 6 millones de toneladas de dióxido de carbono por cada 10 gigavatios de obleas producidas.

Eso es bueno para el planeta y también para los actores de la energía fósil que están al acecho de los créditos de carbono.

“Se prevé que el valor futuro de los créditos de carbono alcance los 60 dólares por tonelada de emisiones evitadas. De cara al futuro, una gran instalación de fabricación que utilice la tecnología EpiNex™ sería capaz de generar más de 360 ​​millones de dólares al año en créditos de carbono”, explica NexWafe.

Eso puede explicar por qué Aramco Ventures está detrás de la configuración de 30 millones de euros para las instalaciones de Bitterfeld, junto con Reliance New Energy Limited y ATHOS Venture GmbH, entre otros. La nueva inversión se une a la startup de almacenamiento de energía basada en la gravedad Energy Vault, entre otras muescas en el creciente cinturón de tecnología limpia de Aramco Ventures.

En igualdad de condiciones, la empresa matriz de Aramco Ventures, Aramco, podría seguir extrayendo petróleo del suelo en un escenario de mercado de carbono, mediante el despliegue de créditos de carbono para inversiones en nuevas empresas verdes como NexWafe.

Eso depende en parte de las autoridades y en parte de la demanda de productos petrolíferos por parte de los consumidores. Después de algunos altibajos en la tecnología de los vehículos eléctricos, el mercado del transporte finalmente está comenzando a derivar hacia un modelo más sostenible. Los plásticos y otros productos sintéticos también están dando señales de abandonar el barco petrolero a medida que emergen nuevos biomateriales.

En el ámbito solar, reducir el coste de las obleas de silicio es sólo una pieza de un rompecabezas en expansión. Esté atento a las perovskitas, las ventanas fotovoltaicas transparentes, el hidrógeno verde y la agrovoltaica para detectar más señales de que la energía solar está levantando una economía más sostenible de las cenizas de la era de la energía fósil.

Aquí en EE.UU., incluso los estados llamados “rojos” han estado sucumbiendo al canto de sirena de la descarbonización. De particular interés es la startup de almacenamiento de energía Form Energy, respaldada por Aramco Ventures, que se está instalando en Virginia Occidental (más cobertura de CleanTechnica está aquí).

Si todo va según lo planeado, la tecnología de larga duración y aire de hierro de Form ayudará a acelerar el ritmo del desarrollo de energía renovable en todo Estados Unidos, independientemente de la política partidista a nivel estatal.

No más Twitter de Trainwreck. Encuéntrame en Spoutible: @TinaMCasey o LinkedIn @TinaMCasey o Mastodon @Casey o Publicación: @tinamcasey

Foto: Nuevo método para reducir el coste de las obleas de silicio para células solares (fotografía cortesía de NexWafe).

Tina se especializa en sostenibilidad militar y corporativa, tecnología avanzada, materiales emergentes, biocombustibles y cuestiones de agua y aguas residuales. Las opiniones expresadas son suyas. Síguela en Twitter @TinaMCasey y Spoutible.

Anuncie con CleanTechnica para que su empresa llegue a millones de lectores mensuales.

Los talleres colaborativos enseñan la ciencia fundamental detrás del cambio climático y capacitan a los participantes para actuar.

Se formularon y respondieron otra serie de preguntas australianas sobre la descarbonización, la electrificación del transporte, el hidrógeno y el futuro del papel de Australia en el mundo.

La planta de producción final donde un vehículo eléctrico sale de la línea y se envía al cliente es emocionante, pero a veces es fácil...

La gran demanda de trabajadores en los nuevos campos de la energía y la sostenibilidad pone de relieve un problema potencial: una amplia (y creciente) brecha entre los trabajadores...