Un grupo europeo de científicos ha investigado la viabilidad técnica de la recuperación física de los contactos metálicos de las células solares extraídas de paneles solares fuera de uso y la cualificación del silicio recuperado para su reutilización en la cadena de suministro fotovoltaica.
“Esta realidad exige urgentemente el diseño y la adopción de estrategias asequibles, eficaces y masivas de reciclaje y reutilización de todos los componentes fotovoltaicos, y en particular de los que más energía consumen en su fabricación y, por tanto, son responsables de la mayor cuota de impacto ambiental: las células solares”, explican los científicos.
Desmetalización
Para la recuperación de los contactos metálicos, el grupo utilizó soluciones de hidróxido potásico (KOH), etanol y agua para optimizar el proceso de desmetalización. Probaron varias configuraciones de la solución en células solares monocristalinas antiguas. Los contactos frontales de las células estaban hechos con pasta serigráfica de plata, al igual que los contactos traseros, aunque también contenían trazas de otros metales, como aluminio, hierro o plomo.
“Las condiciones de funcionamiento para cada experimento fueron las siguientes: 105 min de inmersión en 250 mL de solución de grabado, con una relación sólido/líquido de 0,004 g/mL, agitación magnética y temperatura entre 60 ºC y 70 ºC”, explican los científicos. Se llevaron a cabo tratamientos previos y posteriores para minimizar la eventual presencia de impurezas en la superficie de la muestra.
Los experimentos de desmetalización tuvieron tres variables: diferentes temperaturas de operación (60 ºC, 65 ºC y 70 ºC), diferentes porciones de KOH (10%, 15% y 20%) y diferentes tasas de etanol (5%, 10% y 15%). El proceso se llevó a cabo en un vaso de precipitados alto de 250 mL en el que los fragmentos celulares se introdujeron en posición vertical sujetados por unas pinzas de plástico.
“El diseño de experimentos permite concluir que la temperatura es el parámetro más influyente en la pérdida de peso y la tasa de desmetalización, mientras que la interacción etanol-temperatura es el factor más influyente en la vida útil del portador minoritario”, señalaron. “El procesado a una temperatura de 60 ºC en una solución de KOH al 10% – etanol al 5% durante 105 min se revela como la mejor opción para la recuperación de metales puros preservando la mayor cantidad de silicio posible”.
Recristalización
En cuanto al proceso de recristalización del silicio recuperado, el académico comenzó con “fragmentos limpios de viejas obleas comerciales multicristalinas dopadas con B”, que fueron fabricadas en la década de 2000′s. Utilizaron un cultivador Czochralski (Cz) para crear un lingote, que luego se cortó en 79 obleas. Estas se sometieron a procesos de gettering por difusión de fósforo (PDG) para mejorar sus propiedades de transporte.
“Tras el éxito del crecimiento y el corte en obleas, se aplicó un exhaustivo programa de caracterización optoelectrónica”, señaló el grupo de investigación. “Demostró el cumplimiento de los requisitos básicos necesarios para fabricar nuevas células solares, en términos de resistividad de las obleas (en torno a 1 Ω cm), contenido de oxígeno (en torno a 1.018 cm3), movilidad (en torno a 1.000 cm2/V⋅s) y tiempos de vida de los portadores (por encima del umbral de 100 μs en todos los casos y alcanzando valores máximos de 350 μs)”.
El grupo utilizó los materiales recuperados para fabricar células solares de campo de superficie posterior de fósforo/aluminio (P/Al-BSF). La estructura incluía contactos metálicos evaporados, con titanio/paladio/plata (Ti/Pd/Ag) para el contacto delantero y Al para el trasero. Por último, se obtuvieron las características I-V bajo iluminación de un sol a cuatro células y se compararon con una referencia.
“A partir de nuestros resultados, concluimos que las principales limitaciones en el rendimiento de los dispositivos observadas en los fabricados a partir de material recristalizado y fragmentos de oblea desmetalizados no son atribuibles a la degradación de la calidad del material en la que se incurre eventualmente durante las etapas de recuperación y utilización de los sustratos de silicio, sino más bien a fallos durante la fabricación de las células”, concluyó el equipo.
Su análisis se presentó en el artículo “Validation of recycling processes for demetallisation and recrystallization of silicon solar cells” (Validación de procesos de reciclaje para desmetalización y recristalización de células solares de silicio.), publicado en Solar Energy. La investigación fue llevada a cabo por científicos de la Universidad Complutense de Madrid, la Universidad Politécnica de Madrid y el Instituto Leibniz de Crecimiento Cristalino (IKZ) de Alemania.
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