El problema de los paneles solares

La industria de la energía solar. enfrentar un potencial El talón de Aquiles: su dependencia de la plata. Como metal precioso y costoso, la plata desempeña un papel crucial en casi todos los tipos de paneles solares. Ahora que la producción mundial de energía solar supera el nivel de los teravatios, la sostenibilidad de este crecimiento ahora se ve amenazada por la escasez y el gasto de la plata. Existe una posible alternativa en los paneles a base de cobre, que baten récords mundiales de eficiencia y muestran un potencial prometedor. Sin embargo, los fabricantes dudan en sustituir la plata por cobre. ¿Puede la industria de la energía solar ovVencer el desafíodesafíos que plantean las resistencias de cobre y proporcionarnos paneles solares más asequibles y eficientes? Exploremos este complejo e intrincado viaje.

Serigrafía

Desde la década de 1970, la serigrafía ha sido el método tradicional para fabricar células solares de silicio y constituye entre el 85% y el 90% de la producción. De manera análoga a imprimir un logotipo en una camiseta, este método implica colocar una pantalla en la parte posterior de la oblea de silicio. La máquina deposita una capa de pasta de plata sobre la pantalla y un raspador la presiona. La oblea se seca, se cuece y se voltea, repitiendo el proceso en el otro lado. Si bien es rentable, el desafío radica en los materiales utilizados. La plata constituye aproximadamente el 10% de los costos de fabricación y utiliza alrededor del 15% de la plata extraída del mundo. Con el avance de la energía solar, la demanda mundial de plata ha aumentado. Varias tecnologías en evolución compiten por la plata, incluida la infraestructura 5G, los vehículos eléctricos y otros productos electrónicos de consumo que saturan el mercado. Los científicos expresaron su preocupación ya en 2013, señalando que el rápido crecimiento de la demanda tanto de energía solar como de plata está a punto de aumentar significativamente el costo de la energía solar.

Aunque la energía solar es cada vez más barata,Los precios de la plata están aumentando rápidamente. La Silver Association reveló que la demanda mundial de plata en 2021 alcanzó un récord desde 2015, con precios que se dispararon un 22% interanual, alcanzando un máximo de nueve años de 25,14 dólares por onza troy. Por el contrario, los precios del cobre en 2021 fueron de aproximadamente 0,29 dólares por onza troy. Si bien algunos pueden considerar el reciclaje de plata, un estudio de diciembre de 2022 sugiere que aún no es factible debido a la falta de plata para la jubilación. La longevidad de los paneles solares tiene aspectos tanto positivos como negativos. Además, el proceso de reciclaje requiere mucha mano de obra y requiere el desmontaje del panel y un tratamiento químico para eliminar la plata. Si bien el reciclaje es beneficioso a largo plazo, puede que no sea viable en las próximas décadas.

Ahora, consideremos el cobre, una alternativa con una conductividad comparable pero con costos significativamente más bajos. Se destacan dos caminos de conversión fundamentales: 1) reemplazar la pasta de plata con pasta de cobre en la serigrafía y 2) adoptar el diseño de células solares de contacto integrado en lugar de la serigrafía. El cambio al cobre trae beneficios como lograr una eficiencia de células solares récord mundial y utilizar materiales abundantes y más asequibles. En los últimos años, varias empresas, inspiradas por los pioneros australianos Stuart Wenham y Martin Green, han logrado avances notables. Su patente de 1985 para células solares de contacto enterradas marcó una mejora significativa. Para comprender estas mejoras, describamos algunas estructuras clave de paneles solares. El patrón en forma de rejilla en el frente del panel es el punto de contacto superior, generalmente plateado. Estos cables metálicos recogen la electricidad generada por la batería. Las líneas horizontales más delgadas, conocidas como "dedos", transmiten corriente a líneas verticales más gruesas llamadas "barras colectoras". Lo ideal es que los dedos fotovoltaicos estén muy apretados y lo más estrechos posible.

Lamentablemente, la producción de dedos finos implica costes considerables. Como resultado, los dedos más anchos en la serigrafía tienen un inconveniente importante: una disminución del 10% al 15% en la potencia de salida debido a la pérdida de enmascaramiento. Los contactos integrados ofrecen una solución elegante con dedos más profundos que su ancho. Las ranuras cortadas con láser en el silicio se rellenan con cobre, lo que da como resultado más metal en los dedos y menos metal obstruyendo la superficie. Esta innovación reduce la pérdida de sombra entre un 2% y un 3%. En última instancia, la eficiencia de los paneles solares de contacto integrados supera en un 25% a la de sus homólogos serigrafiados.

En 1991, las células experimentales de Wenham y Green con contactos integrados alcanzaron una eficiencia récord del 24,7% y las células comerciales alcanzaron una eficiencia del 20%. Sin embargo, su adopción generalizada enfrentó desafíos. Ingresa el "Rey Sol" Shi Zhenrong, quien fundó Suntech Power en 2001. A pesar de lograr un récord mundial de eficiencia del 20,3% para celdas metalizadas de cobre en 2012, Suntech se enfrentó a la quiebra en marzo del año siguiente. Este destino no fue único; BP Solar, que utiliza células de contacto enterradas mediante láser en sus componentes de Saturno, también se enfrentó a la quiebra en 2011. La pregunta sigue siendo: si el cobre es tan prometedor, ¿por qué quebraron estas empresas?

Un factor importante que contribuye a este desafío es el costo. Los paneles solares plateados son más rentables de fabricar. Si bien el cobre es una materia prima más barata que la plata, su mala adhesión a los paneles solares ha sido un problema persistente para científicos y profesionales. Los paneles solares están diseñados para durar 25 años o más, soportando diversas condiciones climáticas. Sin embargo, el cobre es propenso a descascararse, lo que potencialmente compromete la confiabilidad de las celdas recubiertas de cobre. Esta aprensión explica la vacilación de los fabricantes a la hora de realizar la transición. El rendimiento es otra preocupación crítica. Aunque los dedos más estrechos en las celdas de cobre mejoran la eficiencia al reducir las sombras, el riesgo de difusión del cobre en el silicio subyacente representa una amenaza. La difusión de cobre puede convertir el silicio semiconductor en un conductor, lo que provoca cortocircuitos dentro del panel. Esto introduce riesgos adicionales que normalmente no se asocian con un producto bien establecido. Establecer barreras de difusión efectivas es complejo y puede generar costos de producción adicionales. Además, existen preocupaciones sobre cómo la oxidación del cobre puede limitar la conductividad.

Abordar estos desafíos en ingeniería implica incorporar pasos adicionales y asignar más recursos en el proceso de fabricación. Esta complejidad representa un obstáculo principal, que contribuye a la adopción limitada del cobre y a las dificultades que enfrentan BP y Suntech. Si bien BP Solar comercializó con éxito sus paneles Saturn, la decisión de suspender la producción se debió a la competencia con la plata serigrafiada de menor costo. A medida que avanzó la tecnología, la plata serigrafiada se volvió más asequible. A pesar de que un estudio de 2014 indicaba la durabilidad del diseño de contactos integrados de BP, los factores económicos influyeron en las decisiones de producción.

Surge la pregunta: ¿puede el cobre superar estos desafíos, especialmente teniendo en cuenta los mayores riesgos actuales? Shi Zhenrong expresa optimismo. Dos años después de la quiebra de Suntech, encabezó una inversión en la recién creada startup SunDrive. Con sede en Sydney, la empresa se centra en placas de cobre. El supervisor Lennon, decidido a acelerar el proyecto, abandonó su curso de doctorado y dedicó su tiempo a experimentos en el garaje. Después de numerosos intentos, ideó un método para unir cobre a las células solares. Cofundaron SunDrive con sus compañeros de cuarto y solicitaron una patente en 2015. En septiembre de 2022, la empresa logró una eficiencia de panel del 26,41 %, batiendo el récord mundial de células solares de silicio comerciales.

Si la empresa logra una producción a gran escala, la perspectiva de utilizar chatarra de plata se vuelve viable, lo que podría conducir a reducciones significativas en los precios al consumidor. Sigue siendo incierto si la historia se repetirá dejando al cobre a un lado. Puede que la respuesta no esté muy lejos, ya que la empresa planea establecer una línea de producción piloto en 2023. Los desafíos históricos de los paneles a base de cobre, que abordan problemas como la oxidación y la difusión, sugieren que podría no ser una solución universal. La amenaza inminente de un aumento de los precios de la plata podría obligar a los fabricantes a tomar medidas decisivas. ¿Cuáles son tus pensamientos? ¿Aún estás pensando? ¿Es el cobre la solución evidente? ¿Qué alternativas solares sostenibles hay disponibles?