Sustituir la plata por el cobre: así es cómo Alemania quiere resucitar la producción de módulos solares

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Fuente: https://elperiodicodelaenergia.com

Para llevar la tecnología al mercado más rápidamente, se lanzó la spin-off PV2+

Die Leiterbahnen aus Kupfer sind mit 19 Mikrometer extrem dünn. Deshalb ist auch die Verschattung der lichtempfindlichen Siliziumschicht sehr gering

El aumento del precio y la baja disponibilidad de materias primas, especialmente plata, están generando mayores costos en la producción de módulos fotovoltaicos. Los investigadores de Fraunhofer han desarrollado un proceso de galvanoplastia que consiste en sustituir la plata, un metal precioso caro, por cobre, que está más disponible. 

También han logrado reemplazar los polímeros que generalmente quedan después de los procesos de galvanoplastia y que son costosos de desechar, utilizando en su lugar aluminio fácilmente reciclable para enmascarar. Para llevar la tecnología al mercado más rápidamente, se lanzó la spin-off PV2+.

Cuando se trata de generar electricidad a partir de energías renovables, la fotovoltaica es un pilar fundamental. Las células solares de heterounión modernas tienen una huella de CO2 particularmente baja debido a las bajas cantidades de silicio utilizadas para producirlos, y cuando se trata de producción industrial, alcanzan los niveles más altos de eficiencia. Como resultado, hay muchas posibilidades de que esta tecnología se convierta en el estándar de producción.

Hay cifras que muestran la creciente importancia de la fotovoltaica. Según la Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA), los sistemas fotovoltaicos en todo el mundo produjeron más de 96 TWh de energía en 2012, que aumentó a casi 831 TWh en 2020. Según la Agencia Alemana de Medio Ambiente, la cantidad de electricidad generada a partir de energía fotovoltaica en Alemania pasó de casi 27 TWh a casi 50 TWh en el mismo período.

Este no es de ninguna manera el límite de lo que puede ofrecer la fotovoltaica. Sin embargo, en la fabricación de las células solares se utiliza valiosa plata para los embarrados y contactos, que conducen la electricidad que se genera en la capa de silicio por medio de la radiación solar. El costo de este metal precioso está aumentando; incluso hoy, la plata representa alrededor del 10 por ciento del precio de fabricación de un módulo fotovoltaico.

Además, solo hay cantidades limitadas del metal disponible en la Tierra. La industria solar procesa el 15 por ciento de la plata extraída, pero debido a la alta tasa de crecimiento de la industria, esta proporción aumentará considerablemente. Sin embargo, esto no será viable, ya que otros sectores, como la electromovilidad y la tecnología 5G, también informan un aumento futuro esperado en el uso de la plata.

Cobre para contactos de celdas solares

Investigadores del Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar ISE han asumido este desafío. Con unos 1.400 empleados, este instituto con sede en Friburgo es el instituto de investigación solar más grande de Europa. Un equipo de investigadores dirigido por el Dr. Markus Glatthaar, experto en metalización y estructuración, ha desarrollado un proceso de galvanoplastia para la prometedora tecnología de heterounión para reemplazar la plata con cobre. El cobre es muchas veces más barato y está más disponible que la plata.

Para asegurarse de que la superficie eléctricamente conductora de la celda solar no esté completamente electrochapada con cobre, primero se deben enmascarar las áreas de la superficie que no se deben recubrir. Estas zonas están recubiertas por un revestimiento que tiene un efecto aislante eléctrico, evitando así que sean galvanizadas. La capa de cobre solo se acumulará en las áreas no recubiertas con el aislamiento.

Los investigadores han logrado otro avance significativo aquí: hasta ahora, en esta industria se han utilizado costosas lacas a base de polímeros o láminas laminadas para enmascarar la oblea de silicio en el baño de electrolito. La eliminación adecuada de los polímeros es un proceso costoso que genera muchos desechos.

El Dr. Glatthaar y su equipo han podido sustituir los polímeros por aluminio. Al igual que el cobre, el aluminio es totalmente reciclable. Cambiar los materiales dos veces, de plata a cobre y de polímero a aluminio, también brinda el doble de beneficios: producir células solares no solo es más sostenible, sino también significativamente más económico.Un avance científico: galvanoplastia innovadora y electrolitos mejorados

Pero, ¿cómo lograron los investigadores reemplazar la plata, un metal precioso caro? “Desarrollamos un proceso galvánico especial que hace posible utilizar cobre en lugar de plata para las barras colectoras”, explica el Dr. Glatthaar.

Esto incluso mejora la conductividad: las líneas de contacto de cobre son particularmente estrechas debido a su estructura láser. Debido al ancho extremadamente pequeño de la línea de cobre de solo 19 μm (micrómetros), la capa de silicio que absorbe la luz experimenta menos sombreado que con las líneas plateadas. Esto y la alta conductividad del cobre galvanizado mejoran el rendimiento eléctrico.

El equipo de Fraunhofer también ha realizado un segundo logro tecnológico al utilizar aluminio como capa de enmascaramiento. La dificultad aquí es la naturaleza eléctricamente conductora del aluminio, que lo hace a primera vista inadecuado para usar como máscara. Los investigadores de Fraunhofer aprovecharon el hecho de que el aluminio puede formar una capa de óxido aislante en su superficie.

Sin embargo, esta capa tiene solo unos pocos nanómetros de espesor. “Pudimos adaptar los parámetros del proceso y desarrollar un tipo especial de electrolito que garantiza que la capa de óxido nativo extremadamente delgada del aluminio pueda cumplir de manera confiable su función aislante. Este fue un hito importante para el éxito de nuestro proyecto de investigación”, se complace en informar el Dr. Glatthaar.

Como materiales reciclables, tanto el cobre como el aluminio pueden acercar mucho más la producción fotovoltaica a la economía circular, mejorando los estándares ambientales y sociales en el proceso. “Dado que tenemos suficientes suministros de cobre en Alemania, las cadenas de suministro son mucho más cortas y el precio depende menos de los mercados internacionales de materias primas o de los proveedores extranjeros”, agrega el Dr. Glatthaar.

La spin-off PV2+ lleva la tecnología solar al mercado

Con el fin de llevar la tecnología prometedora al mercado más rápidamente, Fraunhofer ISE lanzó el spin-off PV2+. Las letras “P” y “V” representan energía fotovoltaica, con “2+” que indica la doble carga positiva de los iones de cobre en el baño de galvanoplastia. La empresa también tiene su sede en Friburgo, y el investigador de Fraunhofer, el Dr. Glatthaar, actúa como director ejecutivo. Su objetivo es establecer una planta de producción piloto junto con socios industriales a principios de 2023.

Como explica el profesor. Andreas Bett, director del instituto Fraunhofer ISE: “Estas células solares innovadoras son un peldaño importante en el camino hacia un futuro suministro de energía basado en energías renovables. Le darán a la industria fotovoltaica un impulso muy necesario. La escisión tiene un enorme potencial para establecerse rápida y exitosamente en el mercado. Y, por supuesto, estamos particularmente complacidos de que estas tecnologías se hayan desarrollado en nuestro instituto”. Además, el Ministerio Federal Alemán de Asuntos Económicos y Acción Climática (BMWK) está financiando el proyecto como parte de su programa de puesta en marcha Exist.

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