Las células solares se empezaron a utilizar en la década de los 60 para proporcionar energía a los satélites, y hoy en día están de plena actualidad como fuentes de producción de energía alternativa o energía verde. La reducción de los costes de los nuevos paneles solares hace de ellos un método realmente atractivo de producción de electricidad incluso para uso privado.
A nivel global, la capacidad acumulada de energía solar a finales de 2018 fue de casi 500GW y está experimentando un crecimiento espectacular. De hecho, se calcula un incremento del 138% entre 2017 y 2027. Latinoamérica constituirá el 7% de la capacidad global instalada, siendo los principales impulsores México, Brasil y Chile.
¿Cómo es el proceso de fabricación?
La mayoría de células solares que se producen están basadas en silicio tanto, poli-cristalino como mono-cristalino, también se utiliza la tecnología de lámina fina de Silicio Amorfo, Teluro de Cadmio o Cobre Indio Galio, pero por el momento esta tecnología es incipiente y mucho menos frecuente.
El proceso de fabricación de las células solares basadas en silicio se inicia a partir de lingotes o barras de silicio, que se cortan en obleas y posteriormente se dopan para crear uniones p/n activas.
A continuación, se aplica un revestimiento y se adosan los conductores metálicos en la oblea. En la parte posterior se adhieren las láminas de aluminio, y una vez la célula solar está probada, se pasa a la producción del panel solar donde se combinan multitud de células mediante un proceso de soldadura. Finalmente, se les superpone un cristal y se enmarcan para poder ser instaladas.
Papel de la visión artificial en el proceso de producción de paneles solares
La visión artificial juega un importante papel en cada uno de los estadios de la producción de las células y de los paneles, ya que es necesario realizar un exhaustivo control de la calidad, que empieza en la evaluación del volumen de los lingotes de silicio, y termina en la determinación de la eficiencia del panel completamente terminado e instalado.
En este artículo se pretende dar una visión global de los diferentes aspectos a tener en cuenta en la inspección de células y paneles solares. Se da un repaso a diferentes tipos de inspección para determinar distintos defectos, que se puede encontrar en el proceso de producción, pero también se pone especial hincapié en la utilización de la visión artificial como ayuda en el proceso productivo.
La rápida evolución de esta industria, tanto en nuevos materiales como en nuevas metodologías de producción, hace previsible que la visión artificial pueda utilizarse en el futuro en nuevas aplicaciones relacionadas con esta tecnología.
Del lingote al panel: inicio del proceso de generación de células solares
El proceso de generación de células solares empieza por la obtención de obleas a partir de un lingote o bloque de silicio. Debido a que el silicio en bruto está incrementando su precio constantemente, los lingotes se intentan laminar en obleas cada vez más finas, para poder alcanzar su máximo aprovechamiento. Esto conlleva que la aparición de defectos sea prácticamente inevitable, tanto en el proceso de separación como en el de manipulación del material.
¿Dónde comienza el proceso de control y producción?
La propia formación de los lingotes no está exenta de errores, y durante el crecimiento cristalino de los lingotes suelen aparecer grietas interiores, que pueden visualizarse y separarse, haciendo que el corte de las obleas, solo se efectúe en aquellas partes del lingote donde no se han producido estas fracturas.
Una de las metodologías utilizadas para determinar la presencia de fisuras o grietas en los bloques, consiste en iluminar los lingotes con luz infrarroja y localizar los defectos a partir de cámaras Infrarrojas basadas en tecnología InGaAs, que permite observar el espectro Infrarrojo entre los 900 y los 1700nm.
Es conocido que una de las longitudes de onda donde se puede separar mejor el aspecto de las grietas del silicio policristalino está alrededor de los 1200nm. La tecnología actual permite utilizar cámaras con este tipo de sensores, que detectan las grietas de menor tamaño. Actualmente estás cámaras tienen una resolución máxima de 640 x 512 píxels, y uno de los fabricantes más avanzados en el desarrollo de estos sensores es Xenics.
Importancia de determinar el volumen y la forma exacta de los lingotes
Dependiendo del proceso de fabricación, es muy importante conocer el volumen y forma exacta de los lingotes, tanto para su separación en lingotes de menor tamaño, como para cortar las obleas. El método óptimo para la determinación del volumen también requiere una tecnología basada en visión artificial.
Se trata de la medida de volumen a partir de múltiples cámaras 3D con tecnología de triangulación láser, que conjuntamente determinan el 3D del lingote. Para ello se utilizan tres cámaras situadas alrededor del lingote, cada una de ellas cubre un ángulo de 120º y por tanto las tres pueden determinar la circunferencia completa. Se utilizan también tres láseres que proyectan una línea observable por cada una de las cámaras.
Control de las obleas y células solares
En el proceso de corte se pueden producir numerosos defectos debidos tanto al mismo corte, como a la propia estructura del material. Entre los más importantes a controlar destacan las grietas o microfracturas, las marcas de sierra de corte, las fracturas en los laterales de la oblea, la presencia de arenilla procedente del mismo corte o las marcas de huellas digitales por deficiente manipulación, entre otras.
Si bien el proceso de determinación de defectos es muy similar al que se utiliza en la industria de semiconductores, la inspección de células solares lleva acompañadas algunas dificultades adicionales:
- En las células de silicio monocristalino algunos de estos defectos son menos complejos de determinar.
- En silicio policristalino se aumenta ostensiblemente la dificultad por la estructura interna del material, que hace difícil la localización de grietas o de las marcas de sierra, que a menudo se confunden con los cristales de silicio. En el caso de las células policristalinas cada oblea tiene una estructura cristalina distinta, que obliga al sistema de visión a discriminar entre la estructura cristalina y los defectos, siendo necesario hacer un control mucho más minucioso y de campos de visión más reducidos y obligando a utilizar cámaras de mucha mayor resolución.
También dentro de este proceso de obtención de las obleas en bruto es importante determinar su tamaño y forma exactos. Las obleas pueden tener diversos tamaños definidos según su utilización futura. Sin embargo, puede haber células de tamaños considerables por encima de las 4 pulgadas de lado. El factor de tamaño se puede complicar mucho más en el caso de utilizar la nueva tecnología de capa fina, donde los paneles pueden tener varios metros de lado. En las células también se debe controlar su forma o geometría, para que el proceso de implantación en cadenas su ajuste se perfecto.
Tecnología adecuada para el control de calidad de las células
Dado que el tamaño de algunos defectos puede ser de pocas micras, la tecnología a utilizar para el control de calidad de estas células hace necesario el uso de cámaras matriciales de alta resolución de 4 a 22 megapixels, cuando se trabaja con células de reducido tamaño. Siendo necesaria la utilización de numerosas cámaras lineales en paralelo de 12.000 píxels por línea, cuando el tamaño de las células es mayor o cuando se trabaja con paneles de capa fina.
Entre las cámaras que mejor pueden resolver estas aplicaciones, se encuentran las cámaras lineales y matriciales de alta definición.
Inspección en cuanto a su espesor y alabeamiento
Por otra parte, es importante tener en cuenta en la inspección de las células en “bruto” su forma en cuanto a su espesor y a su alabeamiento. Es frecuente que las células no sean completamente planas y, según parece, el rendimiento de las células aumenta con su grado de rectitud. Para determinar homogeneidad en cuanto a su superficie, se utilizan de nuevo técnicas de determinación de volumen mediante cámaras 3D, que con la ayuda de una línea láser pueden evaluar la altura en cada uno de los puntos de la oblea, con precisiones de pocas micras. Para este tipo de trabajo se utilizan cámaras 3D, conjuntamente con programas de determinación de la 3 dimensión como Sherlock o Halcon.
Desarrollo de los siguientes procesos
Una vez separadas las obleas en bruto, que se consideran correctas para su uso, se continúa con distintos procesos, tales como el texturizado, la limpieza, el proceso de grabación de surcos habitualmente mediante tecnología láser, y el posterior aclarado.
Posteriormente se realiza el revestimiento con carga negativa a las obleas en bruto que presenta una carga positiva, pudiendo utilizar fosforo gaseoso a altas temperaturas. Este proceso denominado dopado crea dos capas separadas dentro de la oblea, una capa con carga negativa y otra con carga positiva. Este campo positivo-negativo es el que permite a la célula solar generar electricidad cuando se expone a la luz solar.
Para obtener una separación entre las capas positivas y negativas, los bordes de las obleas se aíslan utilizando técnicas de grabación por plasma. Para que las células capturen la mayor cantidad de luz solar incidente, se les aplica un revestimiento anti-reflejo de nitrato de silicio, reduciendo los índices de reflexión y aprovechando de esta forma al máximo la radiación solar. Para capturar la energía eléctrica creada por la célula solar, se fijan capas (filamentos) de contactos eléctricos, para permitir que la corriente eléctrica fluya hacia el interior y hacia el exterior de la célula.
En cada uno de estos procesos anteriormente mencionados interviene una inspección mediante sistemas de visión.
En el texturizado se hace una inspección de las líneas que se han trazado tanto para ver la anchura de estas líneas como para determinar la distancia entre líneas. Este proceso de inspección frecuentemente se realiza utilizando cámaras de alta resolución habitualmente superiores a los 4 megapixels, ya que estas líneas no acostumbran a ser superiores a unas pocas micras.
Es importante también tener en cuenta otros defectos adicionales, como la presencia de burbujas en la parte posterior de las células solares, este defecto también está relacionado con la perdida de efectividad en la transmisión eléctrica. Las burbujas son de muy difícil localización, y aunque hay métodos de determinación por visión habituales, utilizando iluminación “darkfield” para resaltar la presencia de estas burbujas, se recomienda la utilización de sistemas 3D, que son mucho más efectivos y pueden llegar a descubrir burbujas de solo unas micras de altura.
Una vez evaluados todos los defectos encontrados en las células solares se procede a los test de producción eléctrica y eficiencia de las células.
Test de producción eléctrica y eficiencia de las células
Las células solares convierten la energía solar en electricidad, sin embargo, tienen también la característica de poder emitir luz si se conectan a una corriente eléctrica. A este proceso, digamos inverso, se le denomina electroluminiscencia. Mediante esta tecnología se puede evaluar de forma rápida y precisa la eficiencia de la célula en cada uno de sus puntos. Al inducir una corriente eléctrica sobre la célula esta emite luz en un espectro centrado en los 1.150nm. Cuanta más radiación emite más eficiente es, y la radiación se emite en toda la célula, de forma que si existe una grieta o una deficiencia en las capas conductivas se ve reflejado en la imagen capturada con cámaras especialmente sensibles a esta longitud de onda.
Por las características intrínsecas de los sensores CCD y CMOS basados en silicio, las cámaras que utilizan esta tecnología solo pueden llegar a capturar imágenes con longitudes de onda hasta los 1.100nm, estas son justamente las longitudes de onda en las que empiezan a emitir las células solares cuando se exponen al proceso de electroluminiscencia.
Es por este motivo que, si se utilizan las cámaras convencionales basadas en sensores en silicio, deben ser cámaras especialmente refrigeradas y que permitan realizar largos tiempos de exposición, si su eficiencia quántica es muy baja, o bien cámaras especialmente diseñadas con sensores que tengan una eficiencia cuántica muy elevada en esas longitudes de onda. Este es el caso de la cámara de Photonfocus con sensor especialmente diseñado para espectro infrarrojo cercano.
Otra alternativa es trabajar con cámaras sensibles al infrarrojo, justamente en la zona donde la electroluminiscencia es más potente. Estas cámaras denominadas SWIR están basadas en sensores InGaAs (Indio, Galio, Arsénico) y permiten visualizar longitudes de onda comprendidas entre los 900 y los 1700nm. Pudiéndose utilizar cámaras matriciales de hasta 640×480 o cámaras lineales de 2048 pixeles.
