Actualidad, perspectivas del desarrollo de la obtención de Silicio (página 2)
A partir del análisis de fuentes informativas
entre los que se incluyen reportes empresariales, de firmas
productoras y comerciales, artículos científicos,
entre otras, se observa que dentro del contexto de los
acontecimientos políticos internacionales que el
desarrollo de la generación de energía
eléctrica a partir de paneles fotovoltaicos se está
limitándolo sutilmente y formando artificialmente la
denominada "burbuja de silicio" por las transnacionales de la
industria microelectrónica y productoras de energía
eléctrica.
Directivos de empresas importantes (EE.UU: Sharp;
Alemania: Schott Solar; Japon: Sumitomo, Tokyma, entre otras)
admiten, que la energía solar es una importante
alternativa que puede contribuir decisivamente en el futuro
energético de la humanidad, pero otros tan importantes
argumentan contraponiendo que aun es muy cara. Pero, hasta ahora,
lo que no se ha reportado con valentía por las fuentes
internaciones consultadas, es que la energía
fotovoltaica (FV) no se ha desarrollado más
porqué el petróleo, el carbón y los
reactivos nucleares son instrumentos de poder y de dominio
económico y político (un ejemplo es el trasfondo
del conflicto Irán–USA) y todas o casi la gran
mayoría de las patentes y de los científicos han
sido comprados y acaparados hasta que oportunistamente sean
empleados todos estos recursos.
Las transnacionales de la microelectrónica han
dilatado conciente o inconscientemente, de forma indirecta o
indirecta, la inversiones en la fabricación de paneles
solares a causas de la incertidumbre de la disponibilidad de
Silicio Grado Solar (Si-GS). Por otra parte la energía FV
tiene una alta incidencia en la solución de problemas
sociales de los países del sur (subdesarrollados), que son
mercados poco
Un aspecto importante a considerar en la política
de los países del 1er mundo en el desarrollo de los
paneles FV, es que este está dirigido a incentivar
mediante el mercado de la energía fotovoltaica la
creación de huertos y centrales FV orientadas a apoyar la
capacidad y disponibilidad del suministro de energía
eléctrica en las redes centrales de distribución de
la población y empresas que ya tiene energía
eléctrica. Esta política, en el concepto de
mercado, tiene elementos de desagregación de oportunidades
y de beneficios, pues en localidad distantes a 1,5 o 3 km
(dependiendo de los accidentes geográficos) de las redes
centrales de electricidad su comercialización no es
rentable, debido a que la extensión de la red
eléctrica presenta un costo minimo 12 000 €/km (12
€/m) y la venta supone tiempos de recuperación de la
inversión muy largos. Ejemplo que siguen inclusos
países en desarrollo, donde un altísimo porcentaje
de su población reside en localidades distante de las
redes eléctricas centrales. Cada estado del planeta tiene
el deber insoslayable de estimular y apoyar mediante cualquier de
los resortes económicos, políticos o educativos el
empleo de las energías ecológicas (eólica,
fotovoltaica, geotérmica, hidráulica, marina, etc.)
para todos sus habitantes de la forma mas equitativa
posible.
¿Como
surgió la idea de convertir la energía solar en
energía eléctrica?
En 1839, el científico francés Edmund
Becquerel descubre el efecto fotovoltaico en sustancias
semiconductoras y en 1954 la Bell Telephone desarrolla las
primeras celdas fotovoltaicas, aplicadas a la industria
aeroespacial, entre otros campos de aplicación. En la
década del 50 del siglo pasado, el laboratorio
estadounidense de la Bell Telephone desarrolla la primera
célula de silicio, cuya eficiencia
energética era el 4,5% de la irradiación recibida
(energía por unidad de superficie; kWh/m2). La primera
aplicación se realizo en naves espaciales y a partir del
1970 se aplico y comercializo en la tierra.
Las propiedades de los materiales fotovoltaicos son muy
sensibles a los defectos del material. La simple
introducción de impurezas en rangos del orden de una parte
en millones (ppm) puede implicar cambios en el efecto
fotovoltaico y en la resistividad eléctrica de varios
órdenes de magnitud. Los defectos cristalinos y las
fronteras de grano modifican la movilidad de los portadores
eléctricos y los tiempos de vida.
El material con la pureza adecuada para la
fabricación de dispositivos fotovoltaicos deberá
tener "pureza grado solar", esto se aplica tanto al
cristal semiconductor, como a los reactivos empleados y
materiales empleados como precursores. El "Silicio de Grado
Solar" (Si-GS) solo podrá tener algunas partes por
millones (1 ppm = 1/106) de impurezas activas, las impurezas
inactivas no deberán superar las partes por
millón.
¿Por qué
se eligió el silicio y no el germanio o el
selenio?
Porque el Si presenta en primera instancia un mayor
ancho de banda, que le infiere una menor corriente de fuga, y las
propiedades del oxido de silicio (SiO2), como material
fundamental para el desarrollo de la tecnología planar. La
posible capacidad máxima de convertir energía solar
en eléctrica es del 25 %. En condiciones de laboratorio
(en Australia) se ha logrado alcanzar una conversión del
24.7% de eficiencia, es decir que se ha logrado un 98.8 % del
potencial de conversión teórico del
silicio.
A mediados de esta misma década de los 50 del
siglo XX se comercializa la primera célula solar con una
eficiencia del 2%. Un gran impulso a la Energía
Fotovoltaica (EF) se produce coincidiendo con la crisis del
petróleo de principios de los años 70; se crean las
primeras empresas fotovoltaicas. A partir de aquí, el
crecimiento de esta industria aumenta vertiginosamente. La muerte
anunciada de las reservas de petróleo y los efectos
contaminantes de la combustión de las energías de
procedencia fósil y orgánica vuelven a revitalizar
en la década de los 90 del pasado siglo la industria y la
investigación fotovoltaica. Al rededor del 90% de toda la
energía fotovoltaica comercializa en el mundo procede de
celdas de silicio: monocristalino (~50%), policristalino (~30%) y
amorfo (~10%), este último presenta una tendencia a
disminuir.
¿Existe la
suficiente materia prima para obtener Si-Gs?
4.1. Fuentes naturales
El silicio es el elemento, tras el oxígeno,
más abundante y distribuido en la corteza terrestre de
nuestro planeta, pero no se encuentra puro como tal en la
naturaleza, sino combinado con oxígeno. El 27,2% de la
corteza terrestre (0,7% de la masa del planeta) está
constituida por el elemento silicio (Si), en la cual están
distribuidos más de 6000 minerales descubiertos hasta la
actualidad.
Como el 12,6 % de la corteza terrestre (~353
Petatonetadas ,1015t) corresponde al dióxido de silicio
(SiO2) en estado libre (cuarzo y sus variedades de sílice)
y accesible a la tecnología actual, resulta entonces que
el potencial silícico constituye prácticamente una
fuente "inagotable" y explotable de materia prima, distribuida de
una forma bastante "equitativa" en la corteza terrestre y en casi
todos los países hay yacimientos de minerales portadores
de sílice.
Tanto en Cuba como en Venezuela y China existen
cuantiosas reservas minerales con contenidos de sílice
superiores al 90% de SiO2 en diferentes formas minerales: cuarzo,
cuarcita, arena sílice, ágata, ópalo, vidrio
volcánico, etc. Por esta situación es que
regularmente los países productores de Si grado
metalúrgico (Si-GM) se autoabastecen de la materia prima
necesaria de sus fuentes autóctonas. En el continente
Americano, Brasil posee las mayores reservas de cuarzo de buena
calidad, fundamental para obtener el silicio ultra
puro.
La granulometría de las materias primas juega un
factor importante no solo en el redimiendo y productividad del
proceso metalúrgico sino también por su influencia
sobre el medio ambiental por la producción de polvo, por
lo que se debe exigir un control en el corte inferior de
éstas. Entre mayor pureza tenga el mineral de
sílice y mayor control de sus especificaciones mejor
calidad tendrá el Si-GM. El precio de los minerales, con
un contenido superior al 90 % de sílice y ya beneficiados,
oscila entre 6 a 38 €/t según el contenido de
impurezas, sin incluir la transportación.
4.2. Otras fuentes de silicio
Otras fuentes de materias primas para la industria
fotovoltaica son los residuos de la Industria electrónica.
En la industria electrónica, una apreciable cantidad el
silicio que se queda en los crisoles donde se funde el
"polisicio", al obtener Si-GE cristalino, es utilizada por el
sector solar.
La industria electrónica, también, al
cortar los lingotes de Si-GE para obtener sus propias obleas
desperdicia aproximadamente un 10% del Si-GE, que también
se emplea en la industria solar y además unos 10 millones
de obleas, que no pasan los requisitos del control de calidad van
a engrosar la disponibilidad, de la que se beneficia la industria
solar para obtener más materia prima, bien como silicio, o
como oblea que luego se limpia y se clasifica para ser usada
directamente en la fabricación de
células.
De aquí se pone en evidencia la sustancial
dependencia que presenta la industria solar de la industria
electrónica. Aun no existen grandes plantas industriales
para producir independientemente de la industria
electrónica obleas de Si-GS a partir de minerales de
sílice. Esto no excluye que se pueda seguir empleado los
rechazos de la producción de la industria
electrónica.
¿Cómo se
transita tecnológicamente para obtener Si-Gs?
La secuencia tecnológica de obtención de
silicio grado metalúrgico se expone
esquemáticamente en la figura 3. La etapa vital de la
secuencia tecnológica es el proceso
metalúrgico.
5.1. Proceso metalúrgico:
Obtención de Si-GM
5.1.1. Consumo energético y
rendimiento en la obtención de Si-GM.
El punto de partida imprescindible para producir Si-GS,
es obtener silicio grado metalúrgico (Si-GM = 97-98%,
Figura 2).
La tecnología más usada a escala mundial
se basa en la reducción carbotérmica de los
minerales de sílice (fundamentalmente cuarcita, arena
sílice y cuarzo) empleando hornos de arco eléctrico
con electrodo sumergido, que involucra una energía durante
el proceso entre 10.8 y 12.0 kWh por kg de Si-GM (~11,4 GWh/t),
pero se ha reportado más comúnmente consumos
energético de 13 kWh/(kg de Si-GM, 97-99%). Desde el punto
de vista teórico la reducción del óxido de
silicio (SiO2) con carbono (C) a temperaturas superotes a los
2000 ºC involucra una energía equivalente a 6,36
kWh/(kg de Si-GM).
SiO2 +2C = Si + 2CO
En la práctica, la energía empleada en la
reducción carbotérmica es de 1.7 a 2.04 veces
superior a la teórica. Los rendimientos en la
producción de Si-GM reportados respecto al mineral de
sílice (SiO2) oscilan entre 75 y 85% del
teórico.
En la figura 3 se expone un esquema de los pasos del
proceso de obtención de silicio grado metalúrgico a
partir de del mineral de sílice. El consumo
energético en todo el ciclo se calcula entre 15 y 18 MW
por tonelada de silicio metalúrgico obtenido listo para
ser transportado a la industria metalúrgica del aluminio o
a la química o a la electrónica o
fotovoltaica.
5.1.2. Agentes reductores
El agente reductor, carbono, se puede conseguir mediante
la utilización de carbón de hulla o de coque
(importados en el caso de Cuba) y de madera troceada.
Ésta, además de su aporte de carbono reactivo,
facilita la permeabilidad de la mezcla de materias primas en los
hornos de arco eléctrico. Los agentes reductores deben
presentar niveles de cenizas inferiores al 1,5 % y
granulometrías adecuadas (entre 10 y 40 cm) con el menor
contenido de polvo posible.
La mezcla confeccionada por estos tres portadores de
carbono es fundamental, en la que debe resultar una
relación de carbono equivalente respecto a la
sílice (Ceq/SiO2) que oscila entre 0.87 y 0.93. Esta
relación representa un valor algo superior a cuatro veces
del teórico (0.2).
Debido a que los minerales de sílice (cuarcita y
cuarzo) son poco conductores de la electricidad y bastante
refractarios se emplea como estabilizador del arco y fundente
cantidades relativamente pequeñas de calcita (˜1%)
con bajo contenido de impurezas.
El nivel de consumo específico del mineral de
sílice está condicionado por las
características físicas del mineral, que poseen una
gran influencia sobre su rendimiento. La más destacable es
la resistencia frente al choque térmico. La
composición granulométrica de la mezcla
metalúrgica es un aspecto importante a considerar en el
rendimiento y rentabilidad del proceso de obtención de
Si-GM. En Latinoamérica Brasil es uno de los pocos
países que produce Si-GM de buena calidad.
5.1.3. Consumo de agua
El consumo de agua se destina fundamentalmente a dos
usos: El primero y más importante es el de
refrigeración, en circuito cerrado, de sistemas de colada
y elementos de los hornos. El segundo cubre las necesidades
higiénicas y sanitarias. Se reportan consumos de agua
entre 4.65 y 5,28 m3/t de silicio metalúrgico (Si-GM)
producido. Por lo general el agua reciclable contiene relativo
bajos niveles de contaminación, pero su control es
imprescindible.
5.1.4. Contaminación
atmosférica
Las emisiones de gases, humos y partículas a la
atmósfera proceden fundamentalmente de dos procesos
diferenciados:
1. De la obtención del silicio
metalúrgico: se emite CO2, CO y humos (90% de
partículas de 1 µm de sílice
amorfa).2. Del acondicionamiento granulométrico
del silicio, operación que sólo genera
partículas (polvo).
La obtención del silicio es un proceso
químico endotérmico de reducción, que se
desarrolla según una secuencia de reacciones resumidas
idealmente en la siguiente:
SiO2 +C ? 2Si+ 2CO; ?HR = +640.82 kJ/mol
(2,97kWh/kg)
El cuarzo es un mineral muy estable por lo que se
requiere en la práctica industrial de grandes
energías muy superiores a 3 kWh/kg para extraerle el
oxígeno y además solicita esta reacción
temperaturas cercanas a 2000 ºC, lo que involucra un consumo
mayor de energía (6.4 kWh/kg). La única
energía que permite alcanzar tales niveles de
energía y temperatura, sin aportar impurezas al proceso y
en un tiempo relativamente corto, es la eléctrica. Por
ello se utilizan hornos eléctricos, de los denominados de
arco sumergido, en cuyo seno se producen diversas
reacciones.
Por cada tonelada de Si-GM producida se genera alrededor
de dos toneladas de CO y casi un ? de tonelada de CO2, gases que
van a la atmósfera. Estos niveles de contaminación
no son superiores a la contaminación que ocasiona las
plantas siderurgicas modernas a nivel mundial.
El humo de sílice o microsílice se produce
como consecuencia de reacciones secundarias durante la
obtención del silicio y presenta una la baja densidad
(apenas 0,2 t/m3). Forma parte fundamental de los humos que son
captados y filtrados en filtros de mangas. Contiene más de
un 90 % de sílice amorfa y se presenta en forma de
finísimas partículas esféricas de
tamaño mayoritariamente inferior a 1 &µm. Esta
microsilice es un material idóneo, por su marcado
carácter puzolánico, para incorporarlo como
adición en la preparación de morteros y hormigones
de altas prestaciones ya que les confiere elevada resistencia
mecánica, gran impermeabilidad y resistencia a ataques
químicos.
5.1.5. Residuos sólidos
Como residuo sólido se obtiene un silicio de baja
ley, que se puede considerar como un subproducto constituido en
parte por cuarzo que alcanzó la fusión pero que no
ha llegado a reaccionar totalmente en los hornos produciendo
cierta cantidad de monóxido de silicio (SiO) y silicio. La
masa de sílice vítrea resultante retiene en su seno
cantidades variables de silicio que suelen superar el 30 %,
así como cantidades menores de carburo de silicio y
óxidos de metales ligeros. Por su composición tiene
interés como aditivo para otros procesos, como abrasivo o
para producir refractarios especiales.
5.1.6. Aplicaciones del Si-GM
El Si-GM debe presentar como requisito una pureza de 99
% (impurezas 100 ppm). Este silicio es adecuado para la industria
básica, donde se obtiene con él aceros, aleaciones
especiales del aluminio y productos de silicona de diferentes
tipos, pero aun esa pureza del Si-GM no es suficiente para la
industria fotovoltaica.
5.1.7. ¿Por qué hay escasez
de Si-GS?
La escasez actual de silicio de grado solar es
coyuntural y provocada por falta de visión, en el mejor de
los casos, porque en realidad no hay limitaciones en el
suministro de sílice, ni de silicio metalúrgico,
debido a que las necesidades actuales de silicio solar requieren
menos del 2% de la producción mundial del silicio
metalúrgico, ni de capital dispuesto a invertir en una
industria como es la de su purificación que tiene un gran
futuro y es rentable. Parte de sus orígenes están
explicados en la introducción de este trabajo.
5.2. Procesos químicos de
obtención de polisilicio (feedstock)
Estos procesos están concentrados en manos de
pocas grandes translaciones y distribuidas en pocos países
desarrollados.
5.2.1. Extracción del silicio puro del
Si-GM
A partir del silicio de grado metalúrgico
finamente triturado y mediante un proceso químico de
varias etapas y bastante complicado se obtiene el
Si-GS.
Los procesos tecnológicamente más
difundidos se basan primeramente en hacer reaccionar el Si-GM a
altas temperatura (300 ºC) con cloruro de hidrogeno anhidro
en presencia de un catalizador para obtener triclorsilano
(SiHCl3) según la reacción (1) o a altas presiones
con dihidrógeno (2) acorde a las reacciones:
Durante la reacción (1) se pueden formar otros
compuestos como tetracloruro de silicio (SiCl4) o cloruros de las
impurezas acorde a la ecuación (3).
El triclorosilano es líquido a temperatura
ambiente (25ºC), siendo su temperatura de ebullición
de 31.7 °C, temperatura muy inferior a las temperaturas de
ebullición de muchas impurezas presentes en el Si-GM. El
SiHCl3 puede purificarse mediante por un proceso iterativo de
destilación (ver figura 5, sección del medio), que
consiste en calentar el líquido con control estricto de
temperatura condensando y recogiendo el gas que se produce a un
valor específico de temperatura. Si este proceso se
realiza varias veces sucesivamente, incrementado así la
pureza del líquido recolectado.
5.2.2. Obtención de silicio de alta pureza
(polisilicio = feedstock)
Una vez purificado el triclorosilano por
destilación iterativa es necesario descomponerlo para
sintetizar el silicio de alta pureza.
El segundo paso consta en la descomposición
térmica de triclorosilano (SiHCl3) en una atmósfera
de dihidrógeno, tecnología más difundida
(reacción (4) inversa de la (3)), obteniéndose el
silicio denominado "polisilicico" de grado electrónico
(Si-GE) de alta pureza (0,001 ppm). La reacción de la
descomposición sería:
El triclorosilano mezclado con hidrógeno se
introduce en el reactor, en el cual es calentado
eléctricamente entre 900 y 1100ºC,
descomponiéndose catalíticamente. El silicio
formado inicialmente sirve como centro de nucleación, es
decir, que sobre su superficie de los granos (soporte semilla) se
favorece la condensación posterior de silicio. El proceso
puede durar varias horas para realizarse. Este proceso puede ser
más eficiente, si en el reactor se coloca una varilla base
silicio adhiriéndose sobre su superficie
epítaxialmente a una velocidad de no mayor de 1 mm/h. El
material obtenido por deposiciones reiteradas se denomina
policilicio, que presenta una alta pureza, pero todavía no
puede ser usado para dispositivos electrovoltaicos, detectores de
radiación, debido a que es policristalino.
El polisilicio ultra puro 99.999999% (denominado en
inglés "polysilicon" o "silicon feedstock") de estructura
policristalina se muele a tamaños de guijarros para ser
vendido a la industria de semiconductores, pero las piezas
pequeñas o el polvo de silicio se venden a la industria
solar, junto con el silicio depositado cerca de las partes
internas de los equipos del proceso, así como el rechazo
de la producción que no cumpla con las especificaciones de
la industria electrónica.
La industria solar no exige de silicio de tanta pureza
como la industria electrónica – necesita una pureza
intermedia (0,01 ppm), y de ahí que pueda usar los restos
de silicio de la industria electrónica, que usa
prácticamente el 100% del silicio de alta pureza para
producir silicio monocristalino. Por lo que los procesos
químicos antes mencionados no necesitan de requerimientos
tecnológicos tan específicos y reiterativios para
la obtención de Si-GS, dando como consecuencia una
reducción sensible de los costos de producción del
Si-GS. También el silicio policristalino ultrapuro, Sin
embargo, esta calidad de pureza no se corresponde a las de las
obleas finales utilizadas en los detectores de radiación,
debido a los pasos adicionales para la obtención de
silicio monocristlino, que introducen impurezas en el Si-GE
policristalino.
5.3. Obtención de los diferentes
tipos de silicio de alta pureza
5.3.1. Silicio monocristalino y
policristalino
En la industria fotovoltaica se emplean tres tipos de
silicio:
1-monocristalino (sc),
2-policristalino (sp) o micocristalino(sm)
3-amorfo (sa).
En la obtención de los dos primeros tipos de
silicio cristalino se parte de los guijarros de Si-GE mediante un
proceso de fusión y cristalización controlada
alrededor de 1500ºC, en los cuales se involucra una
energía entre 2.5 y 3.0 kWh para obtener 1 kg de Si
microcristalino o monocristalino. Algunas valoraciones
energéticas del proceso de calentamiento desde 300 a 1600
K y fusión del silicio es exponen a
continuación:
Existen dos métodos principales de
obtención de obleas de silicio monocristalino a partir de
polisilicio a partir de policilicio obtenido de modo indicado
antes: Método Czochralski (CZ) y el de zona flotante
(ZF).
5.3.1.1. Método Czochralski (CZ)
Este método para la obtención de silicio
monocristalino obedece su nombre a J. Czochralski, quien
determinó en 1918 la velocidad de cristalización de
metales al estirar monocristales y policristales venciendo la
gravedad desde un crisol que contiene el material
fundido.
A pasar que existen actualmente modificaciones del
método Czochralski, como el asistido por fuertes campos
magnéticos horizontales o verticales, aun este
método es uno de los métodos que se utiliza
usualmente para obtener los lingotes de silicio monocristalino,
que consiste en fundir el polisilicio (Tf = 1410 ºC, 46.44
kJ/mol) con la cantidad necesaria de dopantes (P o B) en crisoles
de alta pureza de cuarzo, que rotan dentro de una
atmósfera de argón a presión reducida, e ir
formando el cristal mediante un cristal semilla que se pone en
contacto con el silicio fundido y se va rotando en sentido
contrario a la rotación del crisol cuarzo y elevando, a la
misma vez, a una velocidad determinada arrastrando al silicio
fundido que, al salir de la colada se va enfriando y
cristalizando con la misma orientación que la semilla,
dando lugar a un lingote monocristalino cilíndrico de
diferentes diámetros y longitudes (dimensiones más
frecuente: 12 cm de diámetro y 100 cm de
largo).
El diámetro y la longitud del lingote depende de
la velocidad de rotación (0,5-1,2mm/mim) y
traslación del monocristal (ver figuras 8 y 9). Las partes
superiores e inferiores del lingote obtenido, no son
cilíndricas sino cónicas y se cortan,
enviándolas a la industria fotovoltaica. La industria de
obleas de silicio suministra este material monocristalino con
orientaciones <100>, <111> o también
<110>.
Entre sus ventaja del silicio CZ es que soporta soporta
estrés térmico mejor que el silicio de zona
flotante. Otras ventajas de carácter comercial del silicio
CZ son su mayor velocidad de producción y menor
costo.
Cabe señalar que durante este proceso de
producción, el crisol de cuarzo se va disolviendo
paulatinamente, lo que resulta en la introducción de
grandes cantidades de oxígeno en la mezcla fundida. Aunque
más del 99% de este oxígeno se pierde en forma de
gas SiO, todavía permanece en la mezcla una cantidad no
despreciable de átomos de oxígeno que
pasarán a formar parte del lingote final de silicio
monocristalino.
La presencia de oxígeno en el silicio
monocristalino presenta algunos inconvenientes, aunque
también ventajas. Entre los inconvenientes, destaca la
formación de precipitados de oxígeno como
consecuencia de la menor solubilidad del oxígeno en el
silicio a temperatura ambiente. Además, la
concentración relativamente elevada de oxígeno
puede dar lugar a la formación de defectos activos
eléctricamente, que pueden disminuir sensiblemente la
resistividad de las obleas.
Por otra parte la presencia de átomos de
oxígeno en el silicio actúa como centros de
atrapamiento de impurezas metálicas en el cristal y
también contribuyen a fijar dislocaciones, lo que resulta
un importante contribución al fortalecimiento
mecánico del material.
5.3.1.2. Método de zona flotante (ZF)
El segundo método de obtención de silicio
monocristalino, más difundido, es el método de zona
flotante (ZF). Este método es de máximo
interés para la fabricación de detectores de
radiación de silicio ya que el silicio ZF presenta valores
de resistividad considerablemente más elevados que el
silicio CZ y, por lo tanto, permite procesar detectores cuyo
voltaje de desertización total se mantenga
bajo.
El método de zona flotante fue inventado por
Theuerer en 1962. El método FZ se basa en hacer pasar una
zona fundida a lo largo de una barra de polisilicio en forma
vertical de aproximadamente las mismas dimensiones que el lingote
final, encerrado en una atmósfera de gas inerte. La parte
inferior se funde con un anillo de radiofrecuencia y se pone en
contacto con una semilla de silicio orientada en la
dirección deseada.
El anillo se va moviendo lentamente hacia arriba de
manera que la zona fundida se desplaza a lo largo del lingote y
el silicio va recristalizando en forma de monocristal. En este
método de obtención de silicio monocristalino, el
silicio no entra en contacto con ninguna sustancia que no sea la
atmósfera (arpón o vacío) de la
cámara de crecimiento. Al moverse la zona flotante, las
impurezas disueltas no se incorporan en la misma
concentración que tienen en el líquido,
acumulándose en esta ultima fase. Por lo tanto, resulta
evidente que el silicio ZF permita alcanzar niveles de pureza
mucho más elevados que el silicio CZ y con menos defectos
reticulares, en donde se incorporan cantidades muy significativas
de oxígeno, carbono, boro y otras impurezas
metálicas presentes en las paredes del crisol, tal como se
menciono en el método Czocharaski.
El lingote de silicio cristalino se acondiciona: se
eliminan los extremos y se pule para obtener un diámetro
estándar. A continuación, se definen sobre el
lingote las regiones planas (flats) que proporcionarán
información sobre la orientación cristalina y el
tipo de dopaje de la oblea.
El dopado del silicio se consigue introduciendo los
dopantes en forma gaseosa en la cámara (PH3). Desde el
punto de vista económico el monocristal obtenido por este
método es más caro que el obtenido por el
método CZ.
5.3.2. Silicio amorfo (Si-a)
En general con el Silicio amorfo (Si-a) pueden obtenerse
celdas fotovoltaicas bastante baratas. Su GAP se encuentra entre
1.65 y 1.70 eV. El Si-a no presenta una gran longitud de
difusión de los portadores minoritarios, se ha encontrado
para los huecos 0,03-0,2 &µm en Si-a:H no dopado, por
varios métodos. Las vidas medias de los electrones son de
alrededor de l,2 &µs mientras para los huecos se
encuentran entre 10 &µs y 1 ms esta última por
descara xerográfica en Si muy poco dopado.
Lógicamente en el Si-a habrá muchos
más centros de recombinación de pares que en el
cristal de Silicio, centros de recombinación por impurezas
aparte, por la variación de enlace de los electrones con
los átomos. Con Si-a:H ó Si-a:F:H se evitan gran
parte de los centros de recombinación citados.
El rendimiento de las celdas de Si-a crecen, por lo
tanto, con la calidad de las capas dopadas.Su respuesta al
espectro puede cambiar mucho con la intensidad de la
radiación.Su estabilidad le hace propicio para celdas
exteriores. Se han obtenido eficiencias últimamente del
6,1% con celdas de uniones p-n iluminado la capa n. Las figuras 6
y 7 dan idea del ritmo con que ha mejorado el rendimiento de las
celdas de Si-a:H construidas con uniones p-n con un aislador
entre capas y barrera Schottky respectivamente
Las celdas de silicio amorfo hidrogenado se depositan en
forma de capa delgada sobre diferentes sustratos: vidrio, acero o
polímeros. La temperatura de depósito es moderada
(entre 1000 C y 3000 C). Muchas de las propiedades del silicio
amorfo hidrogenado (Si-a:H) difieren de las del silicio
cristalino:
a) La absorción óptica en la
región visible del espectro solar es más de 10
veces superior.b) La movilidad electrónica es mucho
menor (de 1a 10 cm2 V-1s-1). Aunque el hidrógeno
permite eliminar gran parte de los estados de defecto debidos
a los enlaces no saturados del silicio amorfo, todavía
existe una concentración de estados de defecto del
orden de 1015 a 1016 cm-3.c) La iluminación prolongada del silicio
amorfo produce un aumento de la densidad de defectos, que
puede llegar a ser superior a 1017 cm-3, dependiendo de la
intensidad de iluminación y la temperatura.d) La baja movilidad de los portadores en el
silicio amorfo impide la obtención de celdas solares
basadas en la unión p-n, como es habitual con el
silicio cristalino, ya que estas estructuras están
pensadas para lograr la fotocolección mediante la
difusión de los portadores fotogenerados.e) En el caso de silicio amorfo se suelen
utilizar estructuras p-i-n; es decir, incluyendo una zona
activa intrínseca entre las zonas dopadas.f) La colección de los portadores
fotogenerados se logra por el arrastre debido al campo de la
zona intrínseca. La elevada absorción
óptica del silicio amorfo permite colectar la mayor
parte del flujo luminoso incidente con sólo una
delgada zona activa.
El principal problema de este tipo de celdas es la
degradación provocada por la iluminación. Las
mejores celdas solares de Si-a:H alcanzan rendimientos iniciales
superiores al 12 %, pero este rendimiento disminuye tras los
periodos de iluminación. Se ha obtenido celdas solares
p-i-n de silicio amorfo mediante plasma-CVD y se ha estudiado el
comportamiento de dichos dispositivos mediante diferentes
caracterizaciones optoelectrónicas (respuesta espectral,
medidas de la curva I(V) en función de la intensidad de
iluminación (VIM), etc…). También se han
desarrollado modelos numéricos para interpretar las
medidas. Actualmente se ha centrado en la producción de
S-ai:H y silicion nanocristalino (Si-nc:H) obtenido por
depósito químico en fase vapor asistido por
filamento caliente (HW-CVD), técnica que también es
conocida como depósito químico-catalítico en
fase vapor (cat-CVD). Es remarcable el hecho de que algunos de
los materiales obtenidos no presentan degradación tras la
iluminación
5.3.3. Otros métodos de
obtención de materiales fotovoltaicos base
silicio
En cuanto a la relación costo/rendimiento, las
celdas de Silicio actuales son relativamente caras, variando
según los métodos con que se han obtenido. Los
métodos que dan mejores rendimientos a las celdas de
Silicio son:
a) El proceso Westinghouse, por el que se forma
una cinta estrecha de Silicio entre dos semillas y se tira
hacia arriba de un fundido superenfriado de Silicio, Se
pueden obtener 24 cm2 /minuto con rendimientos fotovoltaicos
del 12%.b) Proceso E.F.G. o de Borde Definido. Es otra
técnica de Formación de cinta, esta vez se tira
de ella haciéndola pasar a través de la ranura
que dejan dos moldes de Grafito, obteniéndose grosores
de 0,25 mm, con rendimientos fotovoltaicos del
11%.c) -Proceso R.T.R., en el que se hacen crecer
en vapor capas de Silicio sobre un sustrato temporal del que
se obtendrán las láminas que se
someterán a un refinado de zona usando rayos
láseres enfocados, consiguiendo rendimientos
fotovoltaicos del 9-10%.d) El Silicio policristalino está siendo
estudiado también para producir sustratos de menor
costo, sin embargo, aún hay que cortar y pulir las
láminas. Se obtienen eficiencias entre 13 y 16% para
20 cm2 y 10% para 100 cm2, en las que no parece perjudicar la
policristalinidad.e) Se han obtenido por solidificación
dirigida lingotes largos con 14% de eficiencia
fotovoltaicos.f) Pueden obtenerse cristales de Silicio en
capas de 15-30 &µm de grosor por medio de
solidificación unidireccional seguida de crecimiento
epitaxial con eficiencias fotovoltaicos entre 10 y
12,5%.g) De implantación de iones con temple
térmico del Silicio se han obtenido eficiencias entre
14 y 16%.h) Produciendo el temple en celdasfotovoltaicas
de Silicio policristalino con iones implantados por medio de
láser se obtienen eficiencias superiores al
14%.i) Bombardeando con un haz de Oxido de
Indio-Estaño (ITO) Silicio tipo p de cristal simple,
se han obtenida eficiencias entre 13 y 15%.j) El óxido de Indio-Estaño
depositado pulverizado sobre silicio tipo n ha dado
eficiencias del 12% para Silicio simple y 10% para
Policristalino.
En el Silicio la mayor pérdida de eficiencia de
las citadas, corresponde a la colección incompleta de los
pares electrón-hueco, esto podría evitarse
disminuyendo el grosor de la capa p y aumentando la movilidad de
los electrones que podrían alcanzar en mayor número
el circuito externo. Aumentando el nivel de dopado se
mejoraría el rendimiento en la colección, sin
embargo, disminuiría al mismo tiempo, la movilidad de los
portadores, por lo que no se habría ganado en rendimiento.
Celdas de Silicio con Fósforo difundido hasta una
profundidad de 0,5 &µm a una concentración de
alto nivel muestran rendimientos entre 11 y 14%.
Aunque de la gran variedad de tipos de celdas de Si
llegan a alcanzar rendimientos espectaculares (incluso algo
superiores al 20%) la barrera para su masiva extensión
consiste en su actual precio, debido principalmente a la
dificultad de obtener los diferentes tipo de silicio
(monocristalino, policristalino y amorfo) con las
características requeridas, las que exigen de una
tecnología muy sofisticada y grandes consumos de
energía. Es por este motivo por lo que siempre ha existido
una investigación muy activa en el terreno de la
energía solar orientada a la búsqueda de otro tipo
de materiales que también sean capaces de producir
energía eléctrica a partir de energía solar.
Una de estas alternativas son las llamadas "celdas solares
sensibilizadas con colorante" (Dye Sensitised solar
cells, o DSSC"s en inglés) también las
conocidas como celdas solares fotoelectroquímicas
por ser la base de su funcionamiento una reacción
química iniciada por la luz [M. Graetzel,
Nature¸ 414, 338 (2001)]. Estos dispositivos,
descubiertos a principios de los 90 (B. O"Regan y M. Graetzel,
Nature¸ 353, 737 (1991)] han sido desde su
principio centro de atención de muchos investigadores e
ingenieros por ser el material principal en su elaboración
un óxido metálico, principalmente el dióxido
de titanio, cuyo precio y dificultad de preparación es muy
inferior a la del silicio, pero aun no presentan todos los
requisitos para ser competitivas en el mercado.
Obtención de
obleas de silicio
Los métodos explicados en las secciones
anteriores para el crecimiento de silicio monocristalino permiten
obtener largos lingotes de silicio de calidad suficiente para su
procesamiento en sala blanca. No obstante, antes de que este
silicio pueda procesarse son necesarios algunos procedimientos
previos.
En primer lugar es necesario cortar los extremos del
lingote y tallarlos para obtener un lingote de diámetro
uniforme. También se ejecutan sobre el lingote los cortes
tradicionales para identificar la orientación y tipo de
dopaje del material, o las marcas elegidas por el cliente.
Seguidamente, el lingote se corta en finas obleas (250-400
&µm) con hilos de 150 hasta 500 km rociándolos
con un abrasivo, lo que conlleva a una perdida de
200-300&µm de espesor en forma de polvo inservible, es
decir se pierde alrededor del 50% del silicio de altísima
calidad. Posteriormente se pule el borde de las mismas hasta
conseguir su típica geometría circular.
A fin de eliminar las asperezas y daño de las
superficies de las obleas como consecuencia del proceso de corte,
las obleas son primero pulidas mecánicamente con polvo de
alumina (Al2O3) y agua, y después son sometidas a un
grabado húmedo (usando una solución de NaOH) para
eliminar las microgrietas generadas en la superficie por la
abrasión del polvo de alumina. Después, las obleas
se pulen hasta conseguir una superficie de suficiente planaridad
para su procesado en sala blanca. Cabe señalar que las
obleas de silicio pueden obtenerse pulidas por una sola cara o
por las dos, si bien estas últimas sólo
están justificadas si se pretenden realizar etapas de
fotolitografía en ambas caras, que no es el caso de los
detectores de radiación (celdas fotovoltaicas).
Finalmente, se pulen los bordes.
Desarrollo de los
precios de las celdas de silicio
Si se analiza el desarrollo de los costos en la
obtención de un watt fotovoltaico se observa que 1960 el
costo de instalar un solo vatio de células fotovoltaicas,
excluyendo las baterías, transformadores y otros equipos
auxiliares, ascendía a 2.000 dólares; 15
años después, en 1975, era ya sólo 30
dólares y en 2004 va de 2,62 dólares a 4,25,
dependiendo de la cantidad y el tipo de instalación. Si en
1975 el kWh costaba más de 7 euros, el precio actual
está entre 0,3 y 0,6 euros, lo que permite que el empleo
de células fotovoltaicas para producir electricidad en
lugares alejados de las redes de distribución ya compita
con las alternativas existentes, como generadores
eléctricos a partir de otras fuentes de
energía.
Por ejemplo, hoy, en Estados Unidos la producción
de un kWh cuesta de 4 a 8 céntimos de dólar en una
central de carbón, de 4 a 6 en los parques eólicos,
de 5 a 10 en una de petróleo, de 12 a 15 en una central
nuclear y de 25 a 40 céntimos utilizando células
fotovoltaicas. En los próximos años se espera
reducir el costo del kWh a 10 centavos de euro (0.13 USD) antes
de 2010 y a 4 centavos de euro para el año 2030. Claro que
en los costos anteriores no se incluyen los resultados del
deterioro causado al ambiente por las distintas maneras de
producir la electricidad no-ecológica.
La fuente principal de materia prima (˜ 90%) para
la producción de silicio grado solar consistía en
los desechos de la industria fotovoltaica, industria que no
"previo" en sus planes productivos de Si-GE la posible demanda de
silicio grado solar provocada por desarrollo de la industria
fotovoltaica. El incremento sostenido de la demanda de paneles
fotovoltaico (30%) en todo el orbe durante más de una
década ha causado una "escasez", entre otras muchas
razones, que ha provocado que el precio del silicio de grado
solar haya subido (pasado a finales del año 2004 de 25
$/kg al orden de 40 $/kg en 2005 y puede que llegue a los 50 $/kg
en 2007), pero si analizamos que el probable aumento de un 100%
del precio de esta materia prima (Si-GS), dependiendo de las
diferentes tecnologías, sólo repercute en un 10%
aproximadamente en el costo del módulo, y si el costo del
módulo es del orden del 50% del precio final del sistema
llave en mano, la subida de la materia prima supone un incremento
sólo del 5% en el sistema fotovoltaico. Los números
indican que el protagonismo de los precios de la materia prima no
es aun tan elevado como es deseado para mantener un equilibrio
entre oferta y demanda y tal vez sea eso junto con la falta de
previsión de inversiones de la industria FV, lo que
promuevan a las trasnacionales de la electrónica y de la
industria química a manipular y crear artificialmente una
escasez, provocando así la elevación desmesurada de
los precios actuales del Si-GS.
En la figura 12 (pag. 22) se presenta una
distribución aproximada de costos la fabricación de
una celda solar (ver tabla 1 anexo). Obsérvese que pese a
la clara reducción de costos del proceso de
cristalización de la célula multicristalina, en su
conjunto, los costos quedan aumentados por el menor rendimiento
de modulo (12% frente a 14% en monocristalino) y la mayor tasa de
rechazo en la fabricación de la célula (10% frente
al 5% en monocristalino). Es una explicación de
la lenta penetración de este producto, y un paradigma de
lo que pasa con los procesos baratos si a la vez rebajan la
calidad.
Un aspecto a considerar también en el desarrollo
de los paneles solares es la desarticulación y
descoordinación casi caóticas que existen entre las
diferentes industrias en la cadena de producción a nivel
de país y mundial, a pesar de los esfuerzos desplegados de
llevar un control y un registro de la producción de
paneles FV por la Agencia Internacional de Energía
(IEA, en ingles) dentro del Programa Sistémico de la
Energía Fotovoltaica (PVPS, en ingles):
Si-GM ? Si-GS ? Obleas ? Celdas
FV?Paneles ? Complementos eléctricos y
electrónicos
Todo esto es consecuencia lógica y provocada por
la competencia irracional del mercado capitalista globalizado. A
pesar de todo este embrollo, el mercado de los paneles FV
presenta un desarrollo impetuoso (18%) comparable con el de los
teléfonos móviles-celulares. Analicemos algunos
aspectos al respecto.
7.1. Costos de una instalación
fotovoltaica de mediana capacidad
Los costos totales de la puesta en marcha de una
instalación fotovoltaica o su inversión necesaria
para su puesta en marcha varia en función de una serie de
condiciones o factores, tanto técnicos como
económicos o financieros .
Tabla 1: Costos de un panel de capacidad 100Wp puesto en
marcha (ver tabla 3 del Anexo)
No obstante, a través de la diferentes
instalaciones ya realizadas así como presupuestos actuales
de este tipo de instalaciones, puede resumirse, a efectos de
aproximación estadística, las siguientes
parámetros de costo por Wp instalado: Instalaciones
pequeñas, es decir las consideradas al rededor de 100 Wp,
se establece, según parámetros de algunos
países europeos y de Cuba, entre 6,5 y 7,5 €/Wp,
valores algo exagerados, que no se corresponden al promedio a
nivel mundial (ver al final de la tabla 3 del ANEXO) .
El precio de los paneles fotovoltaico representa el
50–55% del costo total de la inversión, que unido al
resto de los equipos e instalaciones técnicas necesarias
supone entre el 70 y 75 % del costo total. El 30 y 25 % se
refiere a la ingeniería, administración y gastos
generales, tal como lo indica la tabla 1, aspectos que se pueden
abaratar en un marco no comercialmente competitivo, de
explotación y de ganancia económica a toda
costa
Países
productores de silicio para la industria fotovoltaica
En 2005, el consumo total de silicio por la industria de
FV se encontraba con toda la probabilidad cerca de 5 000 t
(suficiente para producir aproximadamente 50 MW en celdas
fotovoltaicas a partir de de silicio cristalino), el complemento
fue proporcionado por la reservas y desechos de la industria de
semiconductores (reciclaje de obleas, trozo de cristalizadores,
puntas y colas de lingotes, etc). Con cinco plantas, el EE.UU. es
el productor más grande de silicio (5 750 t) y proveedor
mundial de este producto a la industria de FV (6 300 t). La
Mayoría de la producción se exporta a Europa y
Japón. A EE.UU. le sigue Japón con tres plantas que
producen 8 000 t, de la que sólo una parte pequeña
va a la industria de FV (de 300 t a 400 t). En Europa la
compañía alemana Wacker es el segundo productor
mundial más grande (5 200 t a 5 500 t). Esta
compañía parece haber asignado más de la
mitad de su producción a FV en 2005 (3 000 t).
Las compañías más grandes (Hemlock,
EE.UU., REC Silicon, EE.UU., y Wacker, Alemania) tiene todos
anunciado programas de expansión significantes. Una
primera remesa de 20 000 t adicionales debe entrar en
producción en 2008-2009. Algunos de estos proyectos de
expansión harán uso de nuevas tecnologías,
particularmente el reemplazo de los reactores de Siemens por
reactores de cama fluidizada para la deposición de
silicio. Empresas recién creadas como M-Setek de
Japón han anunciado también planes para entrar en
el negocio de silicio-GS. Sin embargo, ninguno de estos planes
está en la fase de la construcción. Fuera de los
países IEA FVPS hay proyectos de silicio en
discusión por parte de Rusia, Ucrania, China entre
otros.
En la figura 13 se observa la producción de
celdas solares por países. Japón es líder
indiscutido con un 43 % de la producción mundial, seguido
por Alemania que en el año 2005 ha experimentado un
progreso increíble, y EEUU (14%). Después viene la
Europa con 38 %, donde Alemania es líder indiscutible en
la región seguida por España, el desarrollo de la
producción de la energia fotoviltaica se debe a la fuerte
inversion de empresas extranjeras: de Alemania, Ucrania, EE.UU,
entre otras.
Resumiendo los criterios de la prestigiosa revista
PHOTON International, la cual estima que la demanda de
energía fotovoltaica continuará creciendo, con
tasas de 30 % a 40 % en el año 2006 y de al menos 30 %
entre los años 2007 a 2010. La demanda en Japón
crecerá entre un 20 % y un 30 % anualmente hasta el 2010,
a pesar de la reducción de los incentivos gubernamentales.
Se albergan perspectivas aun mejores en Alemania, con un
crecimiento del 50 % en el año 2005, un 40 % en el 2006 y
al menos de un 30 % para el año 2010. En Estados Unidos y
en el resto del mundo se estima que el crecimiento de la demanda
de energía fotovoltaica será de al menos un 30 %
hasta el año 2010. Países como España, Corea
del Sur, Rusia, Ukrania y China pueden jugar papeles importantes
en este crecimiento. En el caso de España se ha llegado a
hablar de la siguiente Alemania, en lo que respecta al menos a
tecnología y producción, toda ella importada de
Alemania, Ucrania y EE.UU. En el caso de Corea del Sur existen
planes para instalar una gran capacidad (1.3 GW para el 2011),
mientras China continuará con su política de
instalaciones rurales.
Un ejemplo ha seguir, en algunos aspectos, por los
países del ALBA es el caso de China, en 2005,
realizó un mercado de paneles FV con ventas anuales de
aproximadamente 5 MW y con una capacidad total instalada de 70
MW. La electrificación a distancia y rural corresponde
aproximadamente al 50% del mercado anual, que incluye sistemas
solares domésticos, energía rural y aplicaciones de
bombeo. Acorde al Song Dian Dao Cun (Programa Nacional de
Electrificación de Comunidades Rural) se espera entregar
energía solar a 10 000 aldeas (265 MW) en 2010 y extender
a 18 000 aldeas (1700 MW) en el 2020. La Ley de Energía
Renovable (LER) entró en vigencia en enero del 2006 como
estructura de la política nacional que apoya el intento
expresado por el Gobierno chino de alcanzar con la energía
renovable en 2020 el 5% del consumo de energía total. El
LER incluye apoyar la vía FV mediante reducción de
aranceles e impuestos e incrementar los préstamos
preferenciales y estimular específicamente la
construcción con aprovechamiento de la Energía
Solar.
Empresas y consorcios
involucrados en el desarrollo del mercado fotovoltaico
Debido al restringido suministro de polisilicio (materia
prima) de bajo costo, los programas I + D en los nuevos procesos
se le ha dado un impulso prometedor. Las compañías
químicas están desarrollando más inversiones
en procesos aun más eficaces: los reactores de lecho
fluidizado (REC Silicon, Wacker), los reactores de espacios
libres (Joint Silicon Solar, la unión entre Degussa y el
World Solar de Alemania), vapor a la deposición
líquida (Tokuyama), etc. Además de estos
desarrollos a través de los procesos químicos,
varias compañías están explorando la
vía metalúrgica. Liderando éstos se
encuentra Elkem de Noruega que en 2005 decidió construir
para el 2007-2008 una planta piloto con potencial comercial.
Ferro-Pem/Invensil en Francia también tiene un proyecto
siguiendo esta estrategia.
Sin discusión se observa que la energía
solar fotovoltaica exige un sitio dentro de los esfuerzos
globales para cambiar o adaptar nuestro modelo energético,
y lo pide porque su propia naturaleza la hace idónea para
responder a los problemas medioambientales del modelo actual y
porque el costo para apoyar su desarrollo es asumible, al ser,
por ejemplo, una pequeñísima parte del costo de las
catástrofes debidas al Cambio Climático (el
director de los programas medio-ambientales de las Naciones
Unidas y ex-ministro alemán del Medioambiente, Klaus
Töpfer, estimó en 100.000 millones de euros, el costo
en el año 2001, de los daños asociados al cambio
climático).
Como se ha observado en los párrafos anteriores,
en el momento actual existen en el mundo intentos serios de
buscar soluciones nuevas para el aprovechamiento de la
energía fotovoltaica. Se conoce de ambiciosos programas en
los EE.UU. ("Photovoltaics Beyond the Horizon") que están
abordado esta problemática pero quizás el hecho
más anunciado por los medios mediáticos ha sido la
creación en Australia del "Centro para Fotovoltaica de
tercera Generación" que dirige el profesor
Green.
En el sexto programa marco la Comisión Europea ha
convocado un proyecto integrado bajo el epígrafe
"Investigación y desarrollo de una nueva generación
de fotovoltaica de alto rendimiento mediante un mejor uso del
espectro solar" que por su dotación previsible
podría convertirse en el esfuerzo más ambicioso
para la búsqueda de un descubrimiento radical.
En ese marco se ha coordinado (el IES-UPM) una propuesta
de 19 laboratorios europeos para cumplir los objetivos de un
proyecto integrador, con el acrónimo FULLSPECRUM, que ha
sido concedida por la Comunidad Europea (CE) y actualmente
está en pleno desarrollo. Quizás esto sea una etapa
para encontrar soluciones la explotación eficiente de la
energía en fotovoltaica basada en invenciones
radicales, y tal vez una orientación
estratégica para valorarla en el marco de los
países del ALBA o Latinoamericanos.
Resumiendo, la industria fotovoltaica va a constituir
con casi total seguridad una opción industrial importante,
que con la tecnología actual sería seguramente algo
más cara que la electricidad convencional en estos tiempos
pero capaz de asegurar el servicio sin traumas si por alguna
razón la electricidad convencional viera sus precios
disparados al alza, lo que no hay duda alguna.
En la actualidad, existen numerosas
compañías que se dedican el negocio fotovoltaico.
En la figura 14 se presentan las diez mayores del mundo
reportadas en 2003, cuyas ventas cubren el 80,8% de la
producción mundial de módulos fotovoltaicos, entre
las cuales la Sharp norteamericana es una de las más
importantes.
Efecto medioambientales
de la producción de energía fotovoltaica
La energía solar fotovoltaica, al igual que otras
energías renovables, constituye, frente a los combustibles
fósiles, una fuente inagotable, contribuye al
autoabastecimiento energético nacional y es menos
perjudicial para el medio ambiente, evitando los efectos de su
uso directo (contaminación atmosférica, residuos,
etc) y los derivados de su generación (excavaciones,
minas, canteras, etc).
Los efectos de la energía solar fotovoltaica
sobre los principales factores ambientales son los
siguientes:
Clima: la generación de energía
eléctrica directamente a partir de la luz solar no
requiere ningún tipo de combustión, por lo que no
se produce polución térmica ni emisiones de CO2 que
favorezcan el efecto invernadero.
Geología: Las células fotovoltaicas
se fabrican con silicio, elemento obtenido de la arena, muy
abundante en la Naturaleza y del que no se requieren cantidades
significativas. Por lo tanto, en la fabricación de los
paneles fotovoltaicos no se producen alteraciones en las
características litológicas, topográficas o
estructurales del terreno.
Suelo: al no producirse ni contaminantes, ni
vertidos, ni movimientos de tierra, la incidencia sobre las
características fisico-químicas del suelo o su
erosionabilidad es nula.
Aguas superficiales y subterráneas: No se
produce alteración de los acuíferos o de las aguas
superficiales ni por consumo, ni por contaminación por
residuos o vertidos.
Flora y fauna: la repercusión sobre la
vegetación es nula, y, al eliminarse los tendidos
eléctricos, se evitan los posibles efectos perjudiciales
para las aves.
Paisaje: los paneles solares tienen distintas
posibilidades de integración, lo que hace que sean un
elemento fácil de integrar y armonizar en diferentes tipos
de estructuras, minimizando su impacto visual. Además, al
tratarse de sistemas autónomos, no se altera el paisaje
con postes y líneas eléctricas.
Ruidos: el sistema fotovoltaico es absolutamente
silencioso, lo que representa una clara ventaja frente a los
generadores de motor en viviendas aisladas.
Medio social: El suelo necesario para instalar un
sistema fotovoltaico de dimensión media, no representa una
cantidad significativa como para producir un grave impacto.
Además, en gran parte de los casos, se pueden integrar en
los tejados de las viviendas.
Por otra parte, la energía solar fotovoltaica
representa la mejor solución para aquellos lugares a los
que se quiere dotar de energía eléctrica
preservando las condiciones del entorno; como es el caso por
ejemplo de los Espacios Naturales Protegidos.
Desventajas: No obstante al sinnúmero de
ventajas medioambientales de paneles fotovoltaicos, los
componentes de los módulos pueden constituir fuentes de
contaminación muy serias por lo que su reciclaje
constituye un factor importante y, muy probable, un beneficio
económico, como lo puede constituir el reciclaje de las
celdas fotovoltaicas, pero las cajas de las baterías y su
ácido, base u otras sustancias de la misma (plomo,
mercurio, cadmio, etc), circuitos electrónicos, etc., por
lo que hay que crear todo un sistema de recogida, almacenamiento,
procesamiento tecnológico y cultural-disciplinario en la
poblacion para su reciclaje.
Conclusiones en el marco
latinoamericano (ALBA)
1. La energía fotovoltaica es una fuente
energética prometedora, limpia y económicamente
sostenible para las condiciones climatológicas y
geográficas de las áreas rurales de
Latinoamérica distantes a más de 2 km de redes
eléctricas, incluso de las urbanas: fabelas y zonas
marginales, etc. Además en varios países de
este continente (Brasil, México, Bolivia, Cuba, entre
otros) ya existe varias instituciones que estudian con cierto
nivel de profundidad el efecto fotovoltaico del silicio y de
otros compuestos, que constituyen una fuerza dispersa
altamente calificada y capaz de asimilar la tecnología
de producción del Silicio-GS de última
generación, entre otras de punta. Por otro lado,
Brasil produce suficiente silicio metalúrgico y
Venezuela produce, energía eléctrica barata,
aluminio de gran calidad y posee un desarrollada industria
petroquímica para suministrar toda la cantidad de
materia prima con calidad para una posible producción
a gran escala de Si-GS( también hay que considerar que
la industria fotovoltaica no precisa un silicio de tan alta
pureza, aspecto que abarata la energía fotovoltaica)
de módulos de aluminio y de plásticos para
encapsular las celdas fotovoltaicas. Cuba posee una industria
electrónica y fotovoltaica con una basta experiencia
en la producción de obleas y dopaje de las mismas, en
el ensamblaje y explotación de paneles, así
como una infraestructura de empresas (COPEXTEL, ALCUBA, etc)
que garantizan de gran éxito en la construcción
desde módulos individuales hasta parques fotovoltaicos
y su explotación eficiente, avalado por la
contratación de estos servicios por varios
países latinoamericanos.2. Es conveniente considerar la creación
de un grupo-germen multidisciplinario de especialistas
latinoamericanos, para enfrentar una inversión de una
fábrica moderna de varios miles de toneladas anuales
de silicio-GS, que se encuentre acoplada, como un gran
complejo, a todos los estadios de la producción de
paneles solares y su explotación. Este grupo
podría luego constituir un spin-off multidisciplinario
latinoamericano en la energía fotovoltaica.3. A pesar de que Latinoamérica cuenta
con un notable recurso solar por la magnitud solar diaria
promedio en muchas zonas geográficas, el desarrollo de
una tecnología propia latinoamericana a gran escala a
partir de sus propios conocimientos científicos,
técnicos e industriales seria una inversión
estratégicamente inaceptable, por ahora, por lo que se
debería estudiar, son las tecnologías e
investigaciones de de empresas e instituciones de otros
países mucho más avanzados en este campo; los
candidatos de mayor experiencia en la tecnología de
producción de Si-GS y de otras sustancias
fotovoltaicas, obleas, celdas, paneles solares y de
módulos son Alemania, Japón, USA y Australia,
pero no hay que obviar las experiencias de China, Rusia,
Ucrania e India, entre otros en ciertos aspectos de la cadena
productiva y de exploración de módulos
solares.4. La concepción "no lucrativa y no
monopolista" de la industria fotovoltaica integral
latinoamericana destinada a apalear los problemas culturales,
educacionales, políticos y del bienestar social,
elevando integralmente el nivel de vida de la
población, podría abaratar hasta en un 25-30%
los costos actuales de los módulos completos de
paneles solares y dar empleo a más de a varias
centenares de miles de trabajadores: obreros,
técnicos, especialista y científicos
latinoamericanos, concibiendo. Dentro de las
características latinoamericanas, el desarrollo de
pequeños empresas, talleres de ensamblaje de paneles,
de construcción y fabricación de sus
estructuras metálicas, de equipos eléctricos y
electrónicos, etc) constituiría un aspecto
estratégico y táctico del desarrollo de la
energía fotovoltaica en Latinoamérica ( ver
tabla 7 del ANEXO). El destino de los paneles fotovoltaicos
latinoamericanos no constituye aun un mercado tradicional de
las transnacionales fotovoltaicas por lo que esto
podría ser utilizado como un punto de alianza y
negociación para desarrollar empresas mixtas con
empresas transnacionales.5. Crear las bases jurídicas y legales
para el desarrollo, explotación, producción y
comercialización de cualquier nivel, incluso
importación y exportación, de la energía
fotovoltaica a cualquier escala (módulos, huertos,
centrales, etc.) y a nivel territorial, nacional,
geográfico, de grupo o etnia social, entre otros
aspectos. Crear un programa educacional, cultural y
técnico para elevar el conocimiento y la cultura de la
población en el uso y explotación de la
energía fotovoltaica, que debe estar también
vinculado al programa de alfabetización y educacional
básico de los países
latinoamericanos.
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Revistas
APPAINFO:Lasenergías.com Eficiencia
Energética y Energías Renovables, boletín
del IDAE. Números 1, 2, 3, 4, 5 y 6.
Energías Renovables: C.V. Revista
internacional de energía y medio ambiente
Energética XXI.
Energía. Ingeniería
Energética y Medioambiental, World Watch
Anexos
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