01 noviembre 2010

Componentes ópticos en producción fotovoltaica



La transición de la industria de semiconductores a usar láser para procesado de oblea ha propiciado que esté disponible mucho láser industrial con la potencia y longitud de onda necesaria para actuar sobre él. Esto ha pavimentado el camino para usar láser en la fabricación de de células solares y ahora esta tecnología juega un papel predominante en el proceso.
Para manipular y formar el haz para Scribe eficientemente, sin embargo, los desarrolladores deben llevar a cabo la tarea crítica para seleccionar los componentes ópticos correctos. En este artículo llevamos a cabo una revisión del diseño óptico como factor de éxito usando láser en la producción fotovoltaica.
Láser en producción fotovoltaica
El uso más común del láser en la fabricación solar es el aislamiento del borde del silicio cristalino. El silicio cristalino domina el mercado de las células solares, impulsado por las nuevas innovaciones y el gasto del gobierno en desarrollar fuentes de energía verdes. Durante el proceso de fabricación de una célula solar cristalina, una capa difusa no deseada se deposita en la superficie de la célula – incluyendo los lados y parte trasera – creando una trayectoria eléctrica cerrada entre el frente y la parte trasera de la célula de silicio. Para alcanzar el aislamiento eléctrico, una hendidura en forma de V se crea en el borde de la célula solar. La hendidura en V (V-groove) debe ser lo bastante profunda como para penetrar completamente a través de la capa de tipo n pero muy estrecha para maximizar el área activa.
Durante muchos años el grabado mediante plasma fue el método más común para crear el V-groove y alcanzar el aislamiento eléctrico. Con el grabado mediante plasma, sin embargo, el proceso de producción se interrumpe y las obleas se apilan en una cámara especial para su procesado. Aunque el grabado mediante plasma requiere una inversión de capital relativamente pequeña, la interrupción al proceso de fabricación tiene un impacto negativo en el rendimiento y esta técnica ha sido extensamente reemplazada con los procesos más nuevos.
Más recientemente el grabado químico y el scribing laser  han ocupado el escenario central. El grabado químico usa soluciones para disolver y quitar la capa tipo n no deseada. Este proceso se aplica secuencialmente en la línea de fabricación existente, y de aquí resolvemos el problema con técnicas de plasma y una mejora significativa en el rendimiento. El proceso de grabado químico, sin embargo, requiere limpieza adicional y usa químicos tóxicos que reducen el beneficio ambiental de las energías renovables.
El láser ofrece el beneficio inherente de procesado de contacto, mejorando tanto velocidad como calidad. El procesado sin contacto también minimiza residuos y microgrietas que afectan la eficiencia de las células solares. El láser más común usado en este proceso es láser de estado sólido Neodymium-doped Yttrium Aluminum Garnet. Este láser de estado sólido emite haz con rendimiento 1064 nm. Las ópticas no lineales se usan para doblar, triplicar o cuadruplicar la frecuencia de salida para alcanzar longitudes de onda de 532 nm, 355 nm y 266 nm. Las longitudes de onda más cortas proporcionan resolución más fina y reducen el daño térmico que puede ser causado por láser NIR. Combinado con un sistema de escáner, el láser ofrece muy alta velocidad de procesado, impulsando rendimiento y mejorando costes. El scribing laser para aislamiento del borde por aislamiento de borde se conoce desde hace muchos años. Sin embargo, la disponibilidad del láser de grado industrial necesario es limitada y es caro. Impulsado por la industria de semiconductores, las nuevas tecnologías láser emergen con la potencia deseada, velocidad y longitud de onda para realizar la tarea eficientemente con un retorno excelente en la inversión.
Los sistemas láser están posicionados únicamente para dominar el mercado de procesado de célula solar. Ofrecen muchas ventajas incluyendo velocidad, exactitud, flexibilidad y alto retorno de la inversión. Para procesado de células solares, el láser de estado sólido son tecnologías más prometedoras y que ofrecen muchas ventajas incluyendo consumo de potencia bajo, larga vida y tamaño compacto.
Calidad del haz
El láser de estado sólido también hace aparecer nuevos desafíos que deben ser solucionados. Un factor importante es la calidad del haz. La forma más simple de evitar modos multi-transversal es añadir una apertura en el interior de la calidad del láser entre los dos espejos que pueden bloquear modos de operación no deseados. Sin embargo, el láser de estado sólido se usa en procesado de células solares que utilizan espejos traseros y frontales especiales que concentran energía en modo transversal sin la necesidad de una apertura. Esto mejora sustancialmente la eficiencia del láser.
Densidad de energía
La densidad de energía del haz láser es otro factor crítico. Es importante comprender la diferencia entre la energía de salida láser, densidad de energía y densidad de potencia. La potencia de salida es la potencia total del láser cuando se hace funcionar en modo de onda continua independiente del tamaño del haz.
Ya que la mayoría del láser de estado sólido usado en procesado de células solares es Q-switched (opera con muy cortos pulsos), es también importante comprender la energía del pulso y sus relación con la potencia de salida del láser. La energía del pulso es la cantidad de energía transmitida por el láser durante el ciclo de lasing. Lo que es importante en procesado de células solares es la cantidad de energía concentrada para realizar la tarea. Por lo tanto la densidad de energía es el factor clave para determinar la potencia de procesado del láser.
Q-Switching es una aproximación efectiva para incrementar la energía del pulso desde un láser de relativamente baja potencia. Es una técnica donde la energía total del láser se acumula y se libera en pulsos muy cortos. Hay una diferencia distinta entre pulsar y Q-Switching el láser. El pulso de un láser de estado sólido simplemente requiere una fuente de que transmita energía con pulsos cortos tales como los que se generan con una lámpara flash o un diodo láser. El medio de ganancia sólo se energiza cundo una fuente de bombeo está activa y tanto amplificación como lasing ocurre simultáneamente. Q-switching es un proceso completamente diferente ya que el medio de ganancia es energizado incluso durante ciclos non-lazing con un mecanismo de conmutación localizada en el interior de la cavidad láser entre los espejos frontales y traseros. Esto asegura que el medio de ganancia continua almacenando átomos a unos niveles de energía más altos incrementando la población de inversión incluso cuando la salida no está en ciclo lasing.
Componentes ópticos
La transmisión del rayo láser puede ser descompuesto en dos áreas, dirección del haz y el tren óptico. La dirección del haz láser utiliza un sistema de escáner de alta velocidad que consiste en dos espejos de galvanómetros ortogonales. El galvanómetro consiste en dos partes principales, el actuador que hace funcionar los espejos y un codificador óptico que proporciona realimentación al controlador sobre la posición del actuador. Cada espejo individualmente es capaz de rastrear una línea en un plano simple. Combinando dos ejes permite escanear a través de una línea en un plano simple. Los espejos de tamaño pequeño y peso ligero permiten muy alta velocidad de escáner con larga vida mecánica, mejorando el rendimiento y reduciendo los costes de mantenimiento. Sin embargo, la optimización del tamaño de los espejos es crítica.
El tren óptico está disponible en varias configuraciones. La versión más común usada con espejos del galvanómetro es una que utiliza lentes de escáner F-Theta.
El primer componente crítico es el extensor del haz láser. En un sistema de procesado de láser de células solares típico, el extensor del haz se coloca entes del sistema de escáner. Esto reduce la densidad de potencia de los espejos de escáner previniendo posibles daños del láser de alta potencia y reduciendo los tiempos de parada no controladas. Extender el haz del láser es también crítico para alcanzar la densidad de más alta potencia
Bibliografía: Optical components in photovoltaic production. 2010 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
Palabras clave: chemical etching, laser scribing, Neodymium-doped Yttrium Aluminum Garnet (Nd:YAG) solid state laser
Publicar un comentario en la entrada