A produção de células solares é um processo altamente preciso e tecnologicamente exigente que consiste num grande número de etapas de processos químicos, físicos e térmicos. As células solares, a base dos sistemas fotovoltaicos, convertem a energia solar diretamente em energia eléctrica e desempenham um papel fundamental na produção de energia sustentável. A produção industrial de células solares requer sistemas extensivos de tratamento de água e de águas residuais, uma vez que existem requisitos de elevada pureza para a água do processo e são produzidas águas residuais com cargas poluentes específicas.
Índice
Panorama da produção de células solares
As células solares são constituídas principalmente por materiais semicondutores, nomeadamente o silício, e são fabricadas em várias etapas sucessivas. É feita uma distinção entre a produção de células solares monocristalinas, policristalinas e de película fina.
1. produção de bolachas de silício
A matéria-prima das células solares é o silício de alta pureza, que é obtido através de processos que consomem muita energia:
- Processo de fusão:
- O silício puro é fundido e cristalizado a altas temperaturas (processo Czochralski para o silício monocristalino, processo de fundição em lingote para o silício policristalino).
- Serrar e cortar:
- Os blocos de silício são serrados em bolachas finas (normalmente 150-200 µm).
2. preparação da superfície
As superfícies das bolachas são tratadas quimicamente para otimizar a textura e remover defeitos:
- Gravura:
- Remoção de marcas de serra e de contaminação por ataque químico ou alcalino húmido.
- Produtos químicos típicos: ácido fluorídrico (HF), hidróxido de potássio (KOH).
- Limpeza:
- Utilização de água ultrapura (UPW), isenta de partículas, iões e compostos orgânicos.
3. dopagem e formação de camadas
A condutividade eléctrica das células solares é especificamente influenciada pela dopagem com átomos estranhos, como o fósforo ou o boro:
- Difusão:
- Geração de uma camada de transição pn por tratamento a alta temperatura com gases dopantes (por exemplo, tricloreto de fósforo, trióxido de boro).
- Revestimento antirreflexo:
- Aplicação de nitreto de silício (Si₃N₄) ou outros materiais para minimizar a reflexão da luz.
4. metalização
- Estrutura de contacto:
- Impressão e sinterização de pistas condutoras metálicas (por exemplo, pastas de prata) na frente e no verso das bolachas.
5. montagem e garantia de qualidade
- Laminação:
- As células solares são laminadas com camadas protectoras e painéis de vidro.
- Ensaios eléctricos:
- Teste de eficiência, corrente de curto-circuito e tensão de circuito aberto das células.
Necessidade e requisitos de água na produção de células solares
A produção de células solares requer grandes quantidades de água de processo, em particular água ultrapura (UPW), que deve estar quase completamente livre de impurezas. A qualidade da água é crucial, uma vez que mesmo as mais pequenas partículas ou resíduos químicos podem prejudicar a eficiência e a qualidade das células solares.
Aplicações da água na produção
- Limpeza e enxaguamento:
- Remoção de produtos químicos e partículas após processos de gravação, difusão ou revestimento.
- Banhos de processos químicos:
- Utilização de água ultrapura como solvente em banhos húmidos de gravação e limpeza.
- Arrefecimento:
- Utilização de água em sistemas de arrefecimento para processos térmicos (por exemplo, difusão ou sinterização).
Parâmetros de qualidade importantes
Condutividade:
- 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).
- Uma baixa condutividade é um indicador do teor mínimo de sais e iões dissolvidos.
Carbono orgânico total (TOC):
- Os valores de COT devem ser inferiores a 5 ppb para minimizar a presença de compostos orgânicos.
- As substâncias orgânicas podem depositar-se nas bolachas de silício e reduzir a eficiência das células solares.
Partículas:
- Partikelfreiheit ist entscheidend, da schon mikroskopische Partikel (< 0,1 µm) die Struktur der Wafer beschädigen können.
- A concentração de partículas deve ser próxima de zero.
Bactérias e pirogénios:
- Bakterien müssen vollständig entfernt werden (< 1 KBE/mL).
- Os pirogénios (resíduos bacterianos) não devem estar presentes.
Sem iões:
- Os catiões (por exemplo, sódio, potássio) e os aniões (por exemplo, cloreto, sulfato) devem ser quase completamente removidos para evitar a corrosão e as reacções químicas.
Sílica (SiO₂):
- Siliziumdioxid ist ein natürlicher Bestandteil vieler Wässer und muss vollständig entfernt werden (< 1 ppb), um Ablagerungen auf den Wafern zu vermeiden.
Foto: A nossa osmose inversa ALMA OSMO para a produção de água desmineralizada
Processo para a produção de água ultrapura
A água ultrapura é produzida através de uma combinação de processos de tratamento físico e químico. São necessárias várias fases para atingir os padrões de pureza desejados.
1. pré-tratamento
O pré-tratamento prepara a água bruta (por exemplo, água potável ou água de superfície) através da remoção de impurezas grosseiras.
Filtro de areia e carvão ativado:
- Eliminar os sólidos em suspensão, os sedimentos e a matéria orgânica.
- Reduzir o cloro e outros agentes oxidantes que possam danificar as membranas a jusante.
Sistema de água macia (permuta iónica):
- Reduz os formadores de dureza, como o cálcio (Ca²⁺) e o magnésio (Mg²⁺), para evitar a formação de incrustações nas membranas e nos permutadores de calor.
2. osmose inversa (RO)
A osmose inversa desempenha um papel fundamental na remoção de substâncias e partículas dissolvidas.
- Remove até 99% dos sais dissolvidos, substâncias orgânicas e partículas.
- Redução da condutividade para 1-10 µS/cm.
- Capacidade de retenção também para microorganismos e colóides.
3. electrodeionização (EDI)
O EDI combina resinas de permuta iónica com uma tensão eléctrica para remover os iões remanescentes.
- Desmineralização completa da água.
- Senkung der Leitfähigkeit auf < 0,1 µS/cm.
4. filtragem fina e polimento
Na fase final, a água atinge a pureza necessária através de outras etapas de filtragem e purificação.
Permutadores de iões (resinas de leito misto):
- Remoção selectiva de catiões e aniões residuais.
- Regulação fina da condutividade.
- Utilização de luz UV (185 nm e 254 nm) para destruir substâncias orgânicas e microorganismos.
- Cisão do COT em CO₂, que pode ser facilmente removido.
Foto: A nossa osmose inversa ALMA OSMO com abrandamento e EDI para a produção de água ultrapura (para pequenos caudais de água)
Tratamento de águas residuais na produção de células solares: neutralização, precipitação e floculação
O tratamento de águas residuais na produção de células solares é um processo essencial para cumprir os limites legais e remover os poluentes de águas residuais altamente contaminadas. Em particular, os processos de neutralização bem como a precipitação e floculação em sistemas CP uma vez que estas tecnologias podem remover eficazmente contaminantes inorgânicos e orgânicos, tais como ácidos, álcalis, metais pesados e sólidos em suspensão.
Principais poluentes das águas residuais
- Metais pesados:
- Resíduos de pastas metálicas (por exemplo, prata, alumínio).
- Ácidos e álcalis:
- Concentrações elevadas de fluoretos, nitratos, fosfatos e hidróxidos provenientes de processos de gravação e limpeza.
- Sólidos e lamas:
- Partículas provenientes do processamento de silício.
- Substâncias orgânicas:
- Resíduos de solventes ou pastas.
1. neutralização
Função e objetivo
A neutralização é a primeira etapa do tratamento em que o valor do pH das águas residuais é ajustado para um intervalo neutro (6,5-8,5). Isto é necessário porque as águas residuais da produção de células solares têm frequentemente valores de pH muito flutuantes:
- Águas residuais ácidas: Geradas pela utilização de ácido sulfúrico (H₂SO₄) ou ácido clorídrico (HCl) em processos de limpeza e gravação.
- Águas residuais alcalinas: Resultam de processos em que é utilizado hidróxido de potássio (KOH) ou soda cáustica (NaOH).
Realização técnica
A neutralização é efectuada em sistemas especiais de sistemas de neutralização ou em sistemas controlados por reactores, equipados com dispositivos de medição do pH. O processo compreende as seguintes etapas:
Medição do valor de pH:
- Monitorização contínua do valor do pH através de sensores em linha para garantir um controlo preciso da adição de produtos químicos.
Adição de produtos químicos:
- As águas residuais ácidas são neutralizadas com álcalis como a soda cáustica (NaOH) ou o leite de cal (Ca(OH)₂).
- As águas residuais alcalinas são tratadas com ácidos como o ácido sulfúrico (H₂SO₄) ou o dióxido de carbono (CO₂).
Homogeneização:
- Agitadores ou bombas de recirculação asseguram uma mistura uniforme dos produtos químicos e uma reação completa no tanque de neutralização.
Teste final:
- Após a neutralização, o valor do pH é medido novamente para garantir que a água atingiu o valor-alvo.
Vantagens da neutralização
- Conformidade com os requisitos legais: As águas residuais só podem ser descarregadas em massas de água dentro de um determinado intervalo de pH.
2. precipitação e floculação em instalações de PC
Função e objetivo
A precipitação e floculação em sistemas de PC é um processo físico-químico utilizado para remover substâncias dissolvidas, em particular metais pesados, fluoretos e fosfatos. O processo baseia-se na adição de precipitantes e floculantes, que ligam quimicamente os compostos indesejados e os fazem precipitar como sólidos (flocos).
Realização técnica
A precipitação e a floculação têm lugar em tanques de reação especialmente concebidos, com várias fases para otimizar a formação e a separação dos flocos. O processo compreende as seguintes etapas:
Dosagem dos precipitantes:
- Os precipitantes típicos são
- Cloreto de ferro(III) (FeCl₃) ou sulfato de alumínio (Al₂(SO₄)₃) para a precipitação de fosfatos e fluoretos.
- Leite de cal (Ca(OH)₂) para a precipitação de metais pesados (por exemplo, níquel, cobre, zinco) sob a forma de hidróxidos.
- Os precipitantes típicos são
Adição de floculantes:
- São adicionados polímeros ou floculantes orgânicos para combinar os produtos de precipitação formados em flocos maiores e estáveis.
- Isto melhora a sedimentação e facilita a separação mecânica dos flocos.
Tempo de resposta:
- A mistura permanece no recipiente de reação durante vários minutos para assegurar uma reação química completa e a formação de flocos.
Sedimentação:
- Os flocos formados depositam-se no tanque de sedimentação e são removidos como lamas.
Substâncias e reacções tratadas
- Metais pesados:
- Convertidos em hidróxidos insolúveis por precipitação de hidróxidos.
- Fluoretos:
- Formação de fluoreto de cálcio pouco solúvel (CaF₂) por adição de leite de cal.
- Fosfatos:
- Precipitação como fosfato de alumínio ou de ferro pouco solúvel.
Otimização através do controlo do valor de pH
A eficácia da precipitação depende em grande medida do valor do pH:
- Precipitação de hidróxidos: óptima a pH 8-10.
- Precipitação de fluoretos: óptima a pH 6-7.
- Precipitação de fosfatos: óptima a pH 6,5-8.
Vantagens da precipitação e da floculação
- Remoção eficaz de poluentes: Adequado para substâncias dissolvidas que não podem ser removidas por métodos puramente físicos.
- Flexibilidade: adaptável a diferentes composições de águas residuais através da escolha de produtos químicos.
- Combinabilidade: Os processos a jusante, como a filtração, podem aumentar ainda mais a eficiência.
Foto: O nosso sistema CP ALMA CHEM MCW, incluindo a desidratação de lamas através de um filtro prensa de câmara
Desafios na tecnologia da água e das águas residuais
- Qualidade da água de alta pureza:
- A produção de UPW requer tecnologias complexas, como a osmose inversa e a oxidação UV.
- Composição variável das águas residuais:
- A mistura de diferentes águas residuais de processos coloca grandes exigências às estações de tratamento.
- Eliminação amiga do ambiente:
- Assegurar a eliminação correta dos resíduos químicos e das lamas.
Conclusão
A produção de células solares coloca as maiores exigências ao tratamento de água e de águas residuais, uma vez que os processos requerem água extremamente pura e geram águas residuais complexas. A água ultrapura (UPW) é essencial para garantir a precisão e a eficiência das etapas de produção. A sua produção requer uma combinação de tecnologias de ponta, como a osmose inversa, a electrodeionização e a oxidação UV, para eliminar quase completamente as impurezas. Os rigorosos requisitos de qualidade - incluindo a condutividade mínima, a ausência de partículas e a remoção de resíduos orgânicos - garantem a produção de células solares duradouras e de elevado desempenho.
Por outro lado, durante a produção, são produzidas águas residuais altamente contaminadas, que devem ser tratadas cuidadosamente para cumprir as normas ambientais e otimizar a utilização dos recursos. Processos como a neutralização e precipitação/floculação desempenham aqui um papel fundamental, uma vez que removem eficazmente poluentes como ácidos, álcalis, metais pesados, fluoretos e fosfatos. A combinação harmonizada destes processos garante o cumprimento de todos os requisitos ambientais para a descarga no sistema público de esgotos.
Para mais informações sobre os nossos produtos, não hesite em contactar-nos a qualquer momento!
