La producción de células solares es un proceso muy preciso y tecnológicamente exigente que consta de un gran número de pasos químicos, físicos y térmicos. Las células solares, base de los sistemas fotovoltaicos, convierten la energía solar directamente en energía eléctrica y desempeñan un papel clave en la generación de energía sostenible. La producción industrial de células solares requiere amplios sistemas de tratamiento de aguas y de tratamiento de aguas residuales, ya que hay requisitos de alta pureza para el agua de proceso y se producen aguas residuales con cargas contaminantes específicas.
Índice
Panorama de la producción de células solares
Las células solares se componen principalmente de materiales semiconductores, en particular silicio, y se fabrican en varias etapas sucesivas. Se distingue entre la producción de células solares monocristalinas, policristalinas y de película fina.
1. producción de obleas de silicio
La materia prima de las células solares es el silicio de gran pureza, que se obtiene mediante procesos que consumen mucha energía:
- Proceso de fusión:
- El silicio puro se funde y cristaliza a altas temperaturas (proceso Czochralski para el silicio monocristalino, proceso de colada en lingotera para el silicio policristalino).
- Serrar y cortar:
- Los bloques de silicio se sierran en obleas delgadas (normalmente de 150-200 µm).
2. preparación de la superficie
Las superficies de las obleas se tratan químicamente para optimizar la textura y eliminar los defectos:
- Grabado:
- Eliminación de marcas de sierra y contaminación mediante grabado químico o alcalino en húmedo.
- Productos químicos típicos: ácido fluorhídrico (HF), hidróxido de potasio (KOH).
- Limpieza:
- Uso de agua ultrapura (UPW), libre de partículas, iones y compuestos orgánicos.
3. dopaje y formación de capas
La conductividad eléctrica de las células solares se ve influida específicamente por el dopaje con átomos extraños como el fósforo o el boro:
- Difusión:
- Generación de una capa de transición pn mediante tratamiento a alta temperatura con gases dopantes (por ejemplo, tricloruro de fósforo, trióxido de boro).
- Revestimiento antirreflectante:
- Aplicación de nitruro de silicio (Si₃N₄) u otros materiales para minimizar la reflexión de la luz.
4. metalización
- Estructura de contacto:
- Impresión y sinterización de pistas conductoras metálicas (por ejemplo, pastas de plata) en la parte delantera y trasera de las obleas.
5. montaje y garantía de calidad
- Laminación:
- Las células solares se laminan con capas protectoras y cristales.
- Pruebas eléctricas:
- Comprobación de la eficacia, la corriente de cortocircuito y la tensión de circuito abierto de las células.
Demanda y necesidades de agua en la producción de células solares
La producción de células solares requiere grandes cantidades de agua de proceso, en particular agua ultrapura (UPW), que debe estar casi completamente libre de impurezas. La calidad del agua es crucial, ya que incluso las partículas más pequeñas o los residuos químicos pueden perjudicar la eficiencia y la calidad de las células solares.
Aplicaciones del agua en la producción
- Limpieza y aclarado:
- Eliminación de productos químicos y partículas tras procesos de grabado, difusión o revestimiento.
- Baños para procesos químicos:
- Utilización de agua ultrapura como disolvente en baños de grabado húmedo y limpieza.
- Refrigeración:
- Uso de agua en sistemas de refrigeración para procesos térmicos (por ejemplo, difusión o sinterización).
Parámetros de calidad importantes
Conductividad:
- Reinstwasser weist eine extrem niedrige Leitfähigkeit auf (< 0,1 µS/cm). Idealerweise liegt die Leitfähigkeit bei 0,055 µS/cm (theoretischer Wert für vollständig deionisiertes Wasser bei 25 °C).
- Una conductividad baja es un indicador del contenido mínimo de sales e iones disueltos.
Carbono orgánico total (COT):
- Los valores de COT deben ser inferiores a 5 ppb para minimizar la presencia de compuestos orgánicos.
- Las sustancias orgánicas pueden depositarse en las obleas de silicio y reducir la eficiencia de las células solares.
Partículas:
- Partikelfreiheit ist entscheidend, da schon mikroskopische Partikel (< 0,1 µm) die Struktur der Wafer beschädigen können.
- La concentración de partículas debe ser cercana a cero.
Bacterias y pirógenos:
- Bakterien müssen vollständig entfernt werden (< 1 KBE/mL).
- No debe haber pirógenos (residuos bacterianos).
Sin iones:
- Los cationes (por ejemplo, sodio, potasio) y los aniones (por ejemplo, cloruro, sulfato) deben eliminarse casi por completo para evitar la corrosión y las reacciones químicas.
Sílice (SiO₂):
- Siliziumdioxid ist ein natürlicher Bestandteil vieler Wässer und muss vollständig entfernt werden (< 1 ppb), um Ablagerungen auf den Wafern zu vermeiden.
Foto: Nuestro sistema de ósmosis inversa ALMA OSMO para producir agua desmineralizada.
Proceso de producción de agua ultrapura
El agua ultrapura se produce mediante una combinación de procesos de tratamiento físico y químico. Son necesarias varias etapas para alcanzar los niveles de pureza deseados.
1. tratamiento previo
El pretratamiento prepara el agua bruta (por ejemplo, agua potable o aguas superficiales) eliminando las impurezas gruesas.
Filtro de arena y carbón activado:
- Eliminar los sólidos en suspensión, los sedimentos y la materia orgánica.
- Reducir el cloro y otros agentes oxidantes que podrían dañar las membranas aguas abajo.
Sistema de agua blanda (intercambio iónico):
- Reduce los formadores de dureza como el calcio (Ca²⁺) y el magnesio (Mg²⁺) para evitar la formación de incrustaciones en membranas e intercambiadores de calor.
2. ósmosis inversa (OI)
La ósmosis inversa desempeña un papel fundamental en la eliminación de sustancias y partículas disueltas.
- Elimina hasta el 99 % de las sales disueltas, sustancias orgánicas y partículas.
- Reducción de la conductividad a 1-10 µS/cm.
- Capacidad de retención también para microorganismos y coloides.
3. electrodesionización (EDI)
El EDI combina resinas de intercambio iónico con una tensión eléctrica para eliminar los iones restantes.
- Desmineralización completa del agua.
- Senkung der Leitfähigkeit auf < 0,1 µS/cm.
4. filtración fina y pulido
En la etapa final, el agua alcanza la pureza requerida mediante otras etapas de filtración y purificación.
Intercambiadores de iones (resinas de lecho mixto):
- Eliminación selectiva de cationes y aniones residuales.
- Ajuste fino de la conductividad.
- Uso de luz ultravioleta (185 nm y 254 nm) para destruir sustancias orgánicas y microorganismos.
- Desdoblamiento del COT en CO₂, que puede eliminarse fácilmente.
Foto: Nuestra ósmosis inversa ALMA OSMO con ablandamiento y EDI para la producción de agua ultrapura (para pequeños caudales de agua)
Tratamiento de aguas residuales en la producción de células solares: neutralización, precipitación y floculación
El tratamiento de aguas residuales en la producción de células solares es un proceso esencial para cumplir los límites legales y eliminar los contaminantes de las aguas residuales altamente contaminadas. En particular, los procesos de neutralización neutralización y precipitación y floculación en sistemas CP ya que estas tecnologías pueden eliminar eficazmente contaminantes inorgánicos y orgánicos como ácidos, álcalis, metales pesados y sólidos en suspensión.
Principales contaminantes de las aguas residuales
- Metales pesados:
- Residuos de pastas metálicas (por ejemplo, plata, aluminio).
- Ácidos y álcalis:
- Altas concentraciones de fluoruros, nitratos, fosfatos e hidróxidos procedentes de procesos de grabado y limpieza.
- Sólidos y lodos:
- Partículas procedentes de la transformación del silicio.
- Sustancias orgánicas:
- Residuos de disolventes o pastas.
1. neutralización
Función y objetivo
La neutralización es el primer paso del tratamiento en el que el valor del pH de las aguas residuales se ajusta a un rango neutro (6,5-8,5). Esto es necesario porque las aguas residuales de la producción de células solares suelen tener valores de pH muy fluctuantes:
- Aguas residuales ácidas: generadas por el uso de ácido sulfúrico (H₂SO₄) o ácido clorhídrico (HCl) en procesos de limpieza y grabado.
- Aguas residuales alcalinas: resultantes de procesos en los que se utiliza hidróxido de potasio (KOH) o sosa cáustica (NaOH).
Realización técnica
La neutralización se lleva a cabo en sistemas de neutralización o sistemas controlados por reactores que están equipados con dispositivos de medición del pH. El proceso comprende los siguientes pasos:
Medición del valor del pH:
- Control continuo del valor de pH mediante sensores en línea para garantizar un control preciso de la adición de productos químicos.
Adición de productos químicos:
- Las aguas residuales ácidas se neutralizan con álcalis como la sosa cáustica (NaOH) o la lechada de cal (Ca(OH)₂).
- Las aguas residuales alcalinas se tratan con ácidos como el ácido sulfúrico (H₂SO₄) o el dióxido de carbono (CO₂).
Homogeneización:
- Los agitadores o las bombas de recirculación garantizan una mezcla uniforme de los productos químicos y una reacción completa en el tanque de neutralización.
Prueba final:
- Tras la neutralización, se vuelve a medir el valor del pH para asegurarse de que el agua ha alcanzado el valor objetivo.
Ventajas de la neutralización
- Cumplimiento de los requisitos legales: Las aguas residuales solo pueden verterse en masas de agua dentro de un determinado intervalo de pH.
2. precipitación y floculación en plantas CP
Función y objetivo
La precipitación y floculación en sistemas de CP es un proceso fisicoquímico que se utiliza para eliminar sustancias disueltas, en particular metales pesados, fluoruros y fosfatos. El proceso se basa en la adición de precipitantes y floculantes, que unen químicamente los compuestos no deseados y hacen que precipiten en forma de sólidos (flóculos).
Realización técnica
La precipitación y la floculación tienen lugar en tanques de reacción especialmente diseñados con varias etapas para optimizar la formación y separación de flóculos. El proceso comprende las siguientes etapas:
Dosificación de precipitantes:
- Los precipitantes típicos son
- Cloruro de hierro(III) (FeCl₃) o sulfato de aluminio (Al₂(SO₄)₃) para la precipitación de fosfatos y fluoruros.
- Leche de cal (Ca(OH)₂) para la precipitación de metales pesados (por ejemplo, níquel, cobre, cinc) en forma de hidróxidos.
- Los precipitantes típicos son
Adición de floculantes:
- Se añaden polímeros o floculantes orgánicos para combinar los productos de precipitación formados en flóculos más grandes y estables.
- Esto mejora la sedimentación y facilita la separación mecánica de los flóculos.
Tiempo de respuesta:
- La mezcla permanece en el tanque de reacción durante varios minutos para garantizar una reacción química completa y la formación de flóculos.
Sedimentación:
- Los flóculos formados sedimentan en el tanque de sedimentación y se eliminan como lodos.
Sustancias tratadas y reacciones
- Metales pesados:
- Se convierte en hidróxidos insolubles por precipitación de hidróxidos.
- Fluoruros:
- Formación de fluoruro cálcico poco soluble (CaF₂) por adición de lechada de cal.
- Fosfatos:
- Precipitación como fosfato de aluminio o hierro poco soluble.
Optimización mediante el control del valor del pH
La eficacia de la precipitación depende en gran medida del valor del pH:
- Precipitación por hidróxido: Óptima a pH 8-10.
- Precipitación de fluoruros: Óptima a pH 6-7.
- Precipitación de fosfatos: Óptima a pH 6,5-8.
Ventajas de la precipitación y la floculación
- Eliminación eficaz de contaminantes: Adecuado para sustancias disueltas que no pueden eliminarse por métodos puramente físicos.
- Flexibilidad: Adaptable a diferentes composiciones de aguas residuales mediante la elección de productos químicos.
- Combinabilidad: Los procesos posteriores, como la filtración, pueden aumentar aún más la eficiencia.
Foto: Nuestro sistema CP ALMA CHEM MCW incl. deshidratación de lodos mediante filtro prensa de cámara
Retos de la tecnología del agua y las aguas residuales
- Agua de gran pureza:
- La producción de UPW requiere tecnologías complejas como la ósmosis inversa y la oxidación UV.
- Composición variable de las aguas residuales:
- La mezcla de diferentes aguas residuales de proceso plantea grandes exigencias a las depuradoras.
- Eliminación respetuosa con el medio ambiente:
- Garantizar la correcta eliminación de los residuos químicos y los lodos.
Conclusión
La producción de células solares plantea las mayores exigencias en materia de tratamiento del agua y depuración de aguas residuales, ya que los procesos requieren agua extremadamente pura y generan aguas residuales complejas. El agua ultrapura (UPW) es esencial para garantizar la precisión y eficacia de las fases de producción. Su producción requiere una combinación de tecnologías punteras como la ósmosis inversa, la electrodesionización y la oxidación UV para eliminar casi por completo las impurezas. Los estrictos requisitos de calidad -incluida una conductividad mínima, la ausencia de partículas y la eliminación de residuos orgánicos- garantizan la producción de células solares duraderas y de alto rendimiento.
Por otro lado, durante la producción se producen aguas residuales altamente contaminadas que deben tratarse con cuidado para cumplir la normativa medioambiental y optimizar el uso de los recursos. Procesos como la neutralización y precipitación/floculación desempeñan un papel fundamental, ya que eliminan eficazmente contaminantes como ácidos, álcalis, metales pesados, fluoruros y fosfatos. La combinación armonizada de estos procesos garantiza el cumplimiento de todos los requisitos medioambientales para el vertido al alcantarillado público.
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