Aberturas controladas en la energía solar

Los vientos corren a favor de la energía solar fotovoltaica . De hecho, es uno de los pilares básicos de las renovables. Y lo es porque convierte en electricidad la luz del sol gracias a las características especiales de los distintos materiales semiconductores, de los cuales el más abundante y económico es el silicio. 

Las grandes plantas de energía solar fotovoltaica emplean multitud de módulos conectados entre sí para generar electricidad . Estos módulos están compuestos a su vez de decenas de células fotovoltaicas, que son la unidad más pequeña de conversión de energía luminosa en eléctrica. 

Pese a que existe un gran número de materiales semiconductores, la inmensa mayoría de células fotovoltaicas están construidas a partir de obleas de silicio a las que se les realizan distintos tratamientos de dopado y texturización para convertirlas en células fotovoltaicas.

La fabricación de obleas de silicio ha de ser masiva para poder cubrir el elevado número de células, módulos y plantas fotovoltaicas que se construyen. Estas obleas suelen tener un espesor de unas 300 micras por lo que las distintas cargas mecánicas a las que se las expone durante su vida útil pueden llegar a fracturarlas con relativa facilidad. Esta fractura se producirá antes en el caso de que las obleas presenten defectos de fabricación o grietas en su superficie.

En este punto, investigadores del grupo GdS Optronlab de la Universidad de Valladolid (UVA) han desarrollado un prototipo que sirve para la realización de grietas controladas sobre obleas de silicio de diferentes tamaños. Un diseño que, tal y como explica el técnico investigador Ángel Moretón, permite, además, controlar tanto la dirección como la profundidad y la longitud de estas aberturas para, más tarde, realizar ensayos sobre las obleas y ver cómo afectan a su resistencia mecánica. 

El objetivo final es conocer qué obleas son válidas para la construcción de módulos fotovoltaicos y cuáles han de ser desechadas debido a la gravedad de los defectos presentes en su superficie.

Por ello, indica que las grietas que se producen por distintas razones en las células de los paneles solares son una de las causas más importantes de la degradación de estos, dando lugar a pérdidas de potencia que aumentan de manera exponencial con el tiempo y pudiendo afectar de forma grave a la seguridad de las instalaciones fotovoltaicas. 

La innovación de este proyecto surge, según detalla Moretón, al intentar crear grietas artificiales en las obleas de silicio, con la intención de compararlas con los defectos o grietas propias de su fabricación. De igual manera, los distintos mecanismos y elementos del sistema han sido optimizados para su uso con este tipo de material, apunta. 

El diseño del prototipo para realizar las grietas surge a partir de algo tan común como un cortador de baldosas de cerámica, que emplea una punta de diamante para su corte. A partir de esta idea y tras «un gran esfuerzo de adaptación de los distintos elementos a las obleas de silicio», se consiguió un prototipo funcional capaz de controlar con precisión micrométrica la creación de grietas en este material.

Esta herramienta, a su parecer, dará «una ventaja competitiva» al grupo de investigación de la UVA en la cuantificación de las características mecánicas de las obleas de silicio con grietas o defectos, y podrá servir como base para la clasificación de obleas de silicio. Por tanto, señala que se podrá hacer una evaluación de las grietas en obleas comerciales mediante su técnica de imagen por fotoluminiscencia.

No hay que olvidar, insiste, que el fin último de este tipo de investigaciones es el de ser capaz de predecir el comportamiento mecánico de las obleas de silicio frente a diferentes situaciones de tensión −transporte de las células y los módulos, tensiones en el proceso de instalación de los paneles, situaciones paso rachas de viento fuerte sobre las instalaciones, granizado intenso, etc.−. 

«Conocer el comportamiento mecánico de las obleas ayudará a desechar aquellos lotes menos resistentes, y por tanto asegurar que pasan a fabricación a célula solo obleas con buenas propiedades mecánicas. Esto supone una reducción de costes de mantenimiento enorme de las plantas fotovoltaicas, que están pensadas para una vida útil de más de 20 años», declara Moretón.

Admite que es un sector muy competitivo y existe «una alta sensibilidad» a este problema. Este equipo vallisoletano se plantea esta aproximación, en la que combinan la detección de grietas en obleas comerciales con la caracterización mecánica de obleas seleccionadas sobre las que se practican una serie de grietas, que emulan las distintas aberturas que se dan en los productos que se venden. 

Tras ganar uno de los premios Prometeo de la Fundación General de la Universidad de Valladolid, quieren seguir haciendo pruebas y medidas con el equipo, estudiando los resultados para poder crear sistemas que hagan más eficiente la producción de obleas de silicio y, por ende, reduzcan los costes en las plantas de energía fotovoltaica. 

Sostiene que en el grupo cuentan con diferentes proyectos sobre la temática fotovoltaica y la calidad de las células y paneles. Han desarrollado, por ejemplo, «un pionero sistema de caracterización de módulos mediante electroluminiscencia diurna, que permite hacer medidas directamente en las plantas fotovoltaicas, sin desmontar módulos, a cualquier hora del día». 

A este se une una iniciativa regional que busca la construcción de un sistema de caracterización de paneles fotovoltaicos por electroluminiscencia sin contactos eléctricos, y dos proyectos nacionales, uno dedicado al estudio de módulos de silicio bifaciales, y otro sobre inspecciones de grandes plantas fotovoltaicas con drones y cámaras térmicas e infrarrojas, en el que participan algunas empresas del sector fotovoltaico en España, como Iberdrola o Naturgy.