Problemas (y soluciones) en la conversión de plata por cobre en los paneles solares.
Antes de empezar con los problemas y soluciones para la conversión de plata en los paneles solares, veamos unos datos del año 2021.
https://www.silverinstitute.org/global-silver-demand-surged-2021/
La parte interesante es la cantidad de plata usada en los paneles solares. 113,7 millones de onzas.
Recordar que es una cantidad aproximada. Luego puede revisarse.
La cantidad de GW instalados en 2021, también varía según la fuente, oscilando entre 165 GW y 175 GW, lo que nos da una proporción de 0.67 millones de onzas por GW instalado, ya con mejoras en la proporción muy aceptables.
El precio de la plata está en torno a 20$, bastante barato para la inflación que nos rodea, por lo que los productores de paneles, están más preocupados actualmente por el precio del polisilicio que por el precio de la plata.
Según hemos visto en el artículo anterior se quiere pasar de 1.000 TW/h a 7.000 TW/h para 2030.
https://futurocienciaficcionymatrix.blogspot.com/2022/07/transicion-energetica-en-la-generacion.html
Desde 2021, son 9 años, con un incremento de siete veces la producción acumulada hasta ahora de fotovoltaica.
La cantidad acumulada hasta 2021, en capacidad fotovoltaica,
La Agencia Internacional de la Energía (AIE) publicó hace solo unas semanas su última radiografía (Snapshot report) del sector fotovoltaico (FV) mundial. Según los números recabados por este organismo internacional, al menos 175 gigavatios de nueva potencia fotovoltaica (el mejor año de todos los tiempos) han sido instalados en el mundo en los doce meses del año 2021, lo que supone que la capacidad FV total acumulada a finales de ese ejercicio ha alcanzado al menos los 942 gigavatios.
Es decir, vamos a pasar aproximadamente de 942 GW hasta 6.594 GW en 2030. Es decir, unos 628 GW por año de promedio.
La parte proporcional de plata usada en ese incremento de capacidad , sería 0.67 millones de onzas por GW x 628 GW año = 420 millones de onzas por año promedio.
Por lo tanto, en promedio, vamos a pasar de 114 millones de onzas en 2021 a una media de 420 millones de onzas (solo para fotovoltaica) en el periodo 2022-2030, si cumplimos el objetivo zero-neto.
Naturalmente este salto es complicado que se produzca, por lo que la industria, en previsión de una cierta escasez de plata, está investigando como cambiar la plata de los paneles, para evitar cuellos de botella e incrementos excesivos de precios.
Lo malo es que en una industria tan extendida, lleva mucho tiempo cambiar la fabricación de los paneles, sobre todo si como se ve en el siguiente artículo, los procesos de cambio son importantes y bastante complejos. Antes de dar el paso, las pruebas deben ser exhaustivas y en ello están. El salto del laboratorio a la gran industria es difícil y la escala, junto con la falta de efectividad de los cambios a largo plazo, es una rémora importante para aplicar los cambios (cuando sea que se decida cambiar, que todavía no).
Si el proceso de cambio se retrasa unos años, como es normal, la escasez de plata puede ser mucho peor que la escasez de petróleo, en un entorno de producción minera decreciente en los últimos cinco años.
La subida de la producción en 2021 corresponde al aumento debido a la reapertura de los cierres de minas por confinamiento covid-19.
Ahora vamos con los problemas y posibles soluciones del cambio de plata en los paneles solares. Muy interesante.
https://www.renewableenergyworld.com/storage/pv-technology-swapping-silver-for-copper/#gref
LONDRES — Los pronósticos a largo plazo sobre la disponibilidad de plata, el material de electrodo más utilizado en las tecnologías solares fotovoltaicas, sugieren que es probable que el precio de este material, que ya es valioso, aumente a medida que se dispara la demanda de la industria solar.
Actualmente, el mercado fotovoltaico todavía está dominado por las células solares de silicio cristalino (c-Si), que constituyen el 85 % de las instalaciones en tejados, y los costes de producción de la energía fotovoltaica basada en silicio se reducen continuamente mediante medidas como prácticas de fabricación mejoradas, hasta -escalamiento de las instalaciones de fabricación e integración vertical dentro de la cadena de valor, así como esfuerzos para reducir el volumen de silicio requerido por unidad de producción nominal, con el costo de Si representando aproximadamente un tercio del costo del módulo.
Sin embargo, mientras que el silicio es el segundo elemento más común de la tierra en estado sólido y, por lo tanto, está disponible en abundancia considerable, teniendo en cuenta el tamaño creciente del mercado fotovoltaico, algunos expertos predicen una escasez de plata, que también representa una gran parte de el costo de fabricación de la celda solar – dentro de la próxima década. Si no se hace nada para abordar esta tendencia, se espera que los costos de estos materiales aumenten drásticamente.
Una forma de abordar este problema es mediante el reciclaje de los materiales existentes, lo que reduce el consumo. PV Cycle y empresas miembros como SolarWorld ya están reciclando activamente paneles solares para reutilizar materiales como el silicio y la plata, y el reciclaje en general contribuye tanto a una producción más sostenible de células solares como a un menor tiempo de amortización de la energía. Sin embargo, si bien este proceso es deseable, probablemente no sea suficiente para evitar el agotamiento de los suministros de plata, particularmente a medida que aumenta la producción.
De hecho, una de las principales vías de investigación de la energía solar fotovoltaica se dedica a descubrir y desarrollar alternativas que ofrezcan una conductividad y cualidades mecánicas similares, pero a un costo considerablemente menor. Un sustituto prometedor de este material es el cobre, y los resultados que surgen de la industria indican que las células solares de silicio con contacto de cobre están emergiendo como una alternativa importante.
Abastecimiento de materiales alternativos
El uso de cobre como material de electrodo para las células fotovoltaicas solares tiene un gran potencial en términos de sostenibilidad y rentabilidad, pero, según los científicos del imec, el Dr. Jef Poortmans y el Dr. Joachim John, tal movimiento también presenta una serie de desafíos para el ingeniero de fabricación de células solares. . En primer lugar, el cobre es un asesino de por vida para las células solares basadas en silicio. Esto se debe a que el cobre se difunde en el silicio, donde forma una trampa para los portadores de carga en el material semiconductor. En consecuencia, se requiere una barrera de difusión que evite que ocurra este proceso. En segundo lugar, el cobre, a diferencia de la plata, se oxida en un compuesto poroso cuando se expone al aire. Abordar este problema requiere una protección adicional del contacto del electrodo, por ejemplo, tapando.
En tercer lugar, el uso de cobre como material de electrodo aumenta la complejidad del proceso de fabricación de células solares. La producción actual de células solares de silicio cristalino 'estándar' implica el proceso de metalización de plata y 'co-encendido' que consiste en depositar pasta de plata en la superficie de la célula mediante una técnica de serigrafía. De esta forma, se forma una rejilla conductora a base de plata que ofrece un compromiso entre la alta conductividad eléctrica y la absorción de luz por parte de la capa de nitruro de silicio subyacente que se utiliza con fines de pasivación y antirreflexión. La cocción conjunta posterior comprende un paso simple de alta temperatura que permite que la pasta de plata pase a través de la capa de nitruro de silicio de 80 nm de espesor y entre en contacto con el silicio. La clave de este paso del proceso es la pasta de plata, que normalmente consiste en una suspensión de finas partículas de plata y vidrio. Para el cobre, no existe una pasta similar y, en consecuencia, se necesitan pasos de proceso adicionales para establecer el contacto eléctrico.
Por ejemplo, para hacer contacto con material semiconductor de silicio, la capa de pasivación de nitruro de silicio debe abrirse mediante técnicas de grabado o ablación con láser. Posteriormente, se debe depositar una barrera de difusión (se ha investigado una serie de materiales como nitruro de titanio, nitruro de tántalo y níquel para usarlos como una capa de barrera eficaz contra la difusión de cobre) seguida de una deposición de cobre. Esto último se puede hacer por galvanoplastia, técnica bien conocida en la industria del metal.
La introducción de cobre en la producción de células solares de silicio aumentará la complejidad del proceso e inevitablemente aumentará los costos del proceso de fabricación. Sin embargo, dado que una parte significativa del costo de fabricación está relacionada con la compra de materias primas, se espera que este costo adicional de procesamiento se compense en gran medida mediante el uso de materiales más disponibles y más baratos.
Impactos de eficiencia
Otro tema clave para el crecimiento sostenido de la producción de energía solar es el impacto potencial en la eficiencia de conversión. Sin embargo, el trabajo de investigación en imec aparentemente indica que la introducción de cobre tiene un impacto positivo en la eficiencia de las celdas. La agencia de investigación afirma que se pueden obtener mayores eficiencias con celdas solares recubiertas de cobre en comparación con celdas basadas en contactos de plata serigrafiados, afirmando que las eficiencias con contactos de plata fueron de hasta un 19,5 %, mientras que con contactos de cobre se obtuvo un 20,0 %. Estos resultados se lograron en celdas de área grande de 148 mm 2con 160 µm de espesor, demostrando la viabilidad industrial del proceso. Poortmans y John sugieren que esperan que las mejoras adicionales permitan eficiencias de hasta un 21 %, un objetivo que, según ellos, sería difícil de alcanzar con las celdas con contacto de plata serigrafiadas.
Ciertamente, imec no es el único que afirma que las tecnologías de metalización de cobre ofrecen una alta eficiencia. Por ejemplo, a fines de 2011, Schott AG declaró que había logrado eficiencias de celda del 19,7 % con una celda solar sin plata al combinar varios de sus logros de desarrollo más recientes.
La compañía dice que pudo usar procesos de producción estándar para fabricar una celda solar de alta eficiencia que no contiene plata, utilizando contactos de cobre galvanizados en la parte frontal. La parte trasera está pasivada con tecnología de emisor pasivado y contacto trasero (PERC) y serigrafía de aluminio. Este nuevo tipo de celda se basa en un tamaño de oblea industrial de 156 mm 2 y fue confirmado por Fraunhofer ISE. Si se puede demostrar con éxito la estabilidad a largo plazo, dice Schott, ya no será necesario utilizar plata costosa en la fabricación de células.
'Esta nueva celda representa un verdadero hito en su camino hacia lograr un mayor rendimiento con menores costos de producción', explica el Dr. Axel Metz, director de desarrollo de celdas solares en Schott Solar. “Hemos estado explorando todos los aspectos posibles de esta tecnología durante los últimos años y hemos logrado un progreso importante en los últimos meses. Ahora, logramos combinar estos excelentes resultados en una nueva celda. El próximo paso será proporcionar una prueba real de su estabilidad a largo plazo”, añade.
Este desarrollo siguió los pasos de otra tecnología basada en cobre en la que Schott Solar dice que también pudo lograr una eficiencia del 18 % en el proyecto de investigación Las VeGaS mientras usaba un recubrimiento de níquel y cobre en la parte frontal de una celda policristalina. La empresa afirma que la tecnología de fabricación utilizada puede reducir los costes de metalización frontal en más de un 50 %.
Lanzado seis meses antes, el proyecto Las VeGaS, en el que Schott está trabajando junto con RENA GmbH y CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik und Photovoltaik GmbH, utilizó una oblea policristalina de Schott Solar AG que presenta una metalización trasera serigrafiada estándar. El objetivo del proyecto Las VeGaS es reemplazar en gran medida los contactos de plata con un revestimiento de níquel-cobre menos costoso.
Para solucionar el problema de la difusión del cobre, el equipo del proyecto ha desarrollado una capa de níquel galvanizado que sirve como barrera de difusión, así como las técnicas de fabricación adecuadas para aplicar tanto la barrera de níquel como los contactos de cobre a la celda.
El equipo del proyecto afirma que ha utilizado la nueva tecnología 'InCellPlate' de RENA para fabricar prototipos bastante prometedores en herramientas industriales estándar. Estas células solares ahora se utilizarán para fabricar módulos de prueba para que puedan demostrar su estabilidad a largo plazo en las pruebas de confiabilidad, agregan.
La empresa afirma además que el método Las VeGaS ofrece otra ventaja: las capas galvanizadas son respetuosas con el medio ambiente porque no contienen plomo ni disolventes y, por lo tanto, cumplen los requisitos de la Directiva RoHS de la UE, que impone restricciones sobre el uso de sustancias peligrosas en aparatos eléctricos y electrónicos. dispositivos electrónicos. Ahora, solo se necesita una capa de plata galvanizada muy delgada para soldar las celdas a las pestañas de cobre para hacer un módulo. Esto, a su vez, reduce el consumo de plata en al menos un 95%, afirman.
RENA GmbH es uno de los mayores proveedores de tecnología de procesos para aplicaciones químicas húmedas, principalmente para su uso en la industria fotovoltaica. CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik und Photovoltaik GmbH es una institución dedicada a la investigación y el desarrollo orientados a aplicaciones. El proyecto Las VeGaS recibe apoyo financiero del Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania como parte de la 'Alianza de Innovación en Fotovoltaica'.
De manera similar, en el ETAlab en Fraunhofer ISE, un laboratorio para nuevas estructuras de células solares y pasos de procesamiento, se demostró la tecnología de producir contactos de células solares utilizando procesos galvánicos industrialmente factibles para reemplazar la plata, principalmente por cobre. Los investigadores de Fraunhofer afirman haber logrado una eficiencia de celda solar del 21,4 % con este enfoque, comparable con los valores de las celdas solares que usan un sistema de contacto de titanio/paladio/plata altamente eficiente, que debe crearse en procesos de laboratorio de vacío comparativamente costosos.
Con la enorme diferencia de costos entre la plata y el cobre, simplemente cambiando el material y manteniendo la misma eficiencia, es posible reducir los costos de producción en aproximadamente 8 centavos/Wp, o en otras palabras, hasta en un 10 %, Fraunhofer ISE dice.
Una vez más, para garantizar el funcionamiento sin pérdidas de la célula solar, se utilizó níquel como barrera de difusión. El níquel puede, además de la función de barrera requerida, también crear un contacto eléctrico con el silicio. Además, ofrece la ventaja de que, al igual que el cobre, puede depositarse sobre la célula solar con procesos galvánicos de bajo coste. Un sistema galvánico de níquel-cobre sobre capas de contacto de plata impresas, el proceso estándar actual de la industria, es un primer uso posible por este motivo. Con solo ajustes menores a las líneas de producción industrial, los costos aquí pueden reducirse drásticamente.
El sistema galvánico de níquel-cobre con deposición directa sobre silicio, sin una capa de contacto de plata impresa, proporciona un potencial de eficiencia aún mayor. Utilizando un proceso factible industrialmente, como la ablación con láser, el revestimiento antirreflectante (ARC) se elimina localmente. Se logran anchos estructurales en el rango de 20 µm, lo que reduce significativamente el sombreado en comparación con la serigrafía. En las áreas afectadas del ARC, se depositará selectivamente níquel, que luego se reforzará y se volverá soldable mediante la adición de cobre y zinc o plata. En células solares con pasivación frontal y trasera en formato de 2×2 cm², esta tecnología alcanzó una eficiencia del 21,4% en ETAlab, según ha confirmado CalLab PV Cells en Fraunhofer ISE.
"La metalización basada en cobre y níquel ofrece un importante potencial de ahorro de costes para la próxima generación de células solares de silicio y, con ello, para la energía procedente de la luz solar", afirma el Dr. Markus Glatthaar, director del Grupo de Procesos Avanzados.
Más recientemente, Hyundai Heavy Industries (HHI) de Corea anunció que también logró una eficiencia de conversión del 19,7 % en células solares de contacto de cobre, en este caso utilizando obleas de silicio tipo p estándar de grado comercial de 156 mm. La eficiencia fue confirmada de forma independiente por el Fraunhofer ISE.
Los investigadores e ingenieros de HHI, actualmente el mayor productor de celdas y módulos de Corea, dicen que han mejorado la tecnología LDSE (emisor selectivo dopado con láser) original de UNSW para crear su nueva celda solar mediante revestimiento de cobre. La compañía reclama el récord mundial de eficiencia con su celda de emisor selectivo de contacto frontal de cobre con un electrodo posterior de aleación de aluminio de área completa. El récord anterior de células creadas con el proceso LDSE fue del 19,6 %, alcanzado por una empresa china en obleas más pequeñas de 125 mm.
Al igual que en la tecnología LDSE original, se combinó un proceso de dopaje selectivo basado en láser con una tecnología de recubrimiento para formar contactos de cobre. Afirman que los costos son entre un 10% y un 30% más bajos en comparación con las celdas regulares de seis pulgadas.
"La nueva celda es un hito fundamental en nuestro esfuerzo continuo por mejorar el rendimiento de nuestros productos fotovoltaicos al mismo tiempo que se reducen los costos de producción", dijo el Dr. Choong-dong Lee, director de operaciones de la División de Energía Verde de HHI. "La nueva tecnología de células solares que establece récords es un testimonio de que ahora competimos cabeza a cabeza con los principales institutos y empresas solares en términos de I+D", añadió. HHI ha reestructurado recientemente su fuerza laboral de I+D, y los investigadores del sector de las energías renovables se han unido en el Instituto de Investigación de Energía Verde de Hyundai (HGERI). Se está preparando un nuevo centro de I+D solar en Eumseong y las herramientas de investigación existentes se están reubicando en el centro, junto con equipos de investigación de última generación recién adquiridos.
Ventaja de costo del cobre
Las reducciones en los costos de generación de electricidad para fotovoltaica se pueden lograr a través de dos mecanismos: mejorar la eficiencia de las células solares y reducir sus costos de producción. Con procesos avanzados de metalización de células solares, se pueden alcanzar ambos efectos al mismo tiempo. El cobre se puede depositar a partir de soluciones químicas en procesos galvánicos, que son económicos y tienen altas tasas de deposición. Si la eficiencia de la celda solar se mejora aún más con tales procesos industrialmente factibles, la ventaja de los costos específicos será aún mayor.
El desafío de la metalización de células solares con cobre radica en la creación de una capa homogénea y cualitativamente de alto valor entre el silicio y el cobre. Esto sirve como barrera contra la difusión de cobre en el semiconductor. La metalización del lado frontal a base de cobre en las células solares de Si es un paso significativo hacia un menor costo.
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No olvidemos que la plata es el segundo elemento del planeta con más usos, debido a sus extraordinarias propiedades físicas.
En el caso de los coches eléctricos, la demanda de plata también se dispara en el futuro.
Un recordatorio de la importancia de la plata y su increíble minusvaloración está en este post.
https://futurocienciaficcionymatrix.blogspot.com/2021/03/por-que-invertir-largo-plazo-en-plata.html
Saludos.
¡Muchas gracias por el artículo y sus datos!
ResponderEliminarInsisto en lo que decía ayer: que sea inverosímil que se cumplan las previsiones futuras de fotovoltaica, no implica que hasta ahora no lo han hecho.
Justo lo de sustituir plata por otra cosa es a lo que me refería: tiene muchos problemas y se ven cuando la placa está en explotación (y el fabricante y promotor inicial ya han cobrado y desaparecido dejando el muerto al siguiente eslabón).
Lo que soy prudente con el precio de la plata: debería de más que doblarse si se cumplieran las previsiones, pero como estamos defendiendo que no se cumplirán... a ver si va a sobrar plata a cascoporro... de momento los premiums son mucho más elevados de lo normal respecto del spot.
Bueno es una incógnita.
EliminarPero en el artículo detalla los problemas de intercambiar cobre por plata. Dudo que con la plata a 20$, cambien nada. Y cuando se quieran dar cuenta, apenas quedara plata. a finales de década.
Saludos.