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Células solares o fotovoltaicas
Las células solares o fotovoltaicas son dispositivos semiconductores usados para convertir luz en electricidad (denominados de aquí en adelante células solares). Típicamente por la exposición a la luz, una célula solar genera un voltaje entre sus terminales que da como resultado un consecuente flujo de electrones, cuyo tamaño es proporcional a la intensidad de la luz que incide sobre la unión fotovoltaica formada en la superficie de la célula. Las células solares se pueden fabricar de cualquier material semiconductor apropiado tal como, por ejemplo, silicio cristalino o policristalino o silicio en películas delgadas, por ejemplo, silicio amorfo o semicristalino, arseniuro de galio, diseleniuro de cobre e indio, telururo de cadmio, diseleniuro de cobre, indio y galio, mezclas que incluyen uno cualquiera o más de los últimos y similares. Hay generalmente actualmente dos tipos de células solares, obleas y películas delgadas. Una oblea es una lámina delgada de material semiconductor hecha cortándola mecánicamente de un solo cristal o lingote o pieza fundida multicristalina. Las células solares basadas en películas delgadas son capas continuas de materiales semiconductores típicamente depositados sobre un substrato o superestrato por procedimientos de pulverización catódica o deposición de vapores químicos o técnicas similares.
Dispositivos fotovoltaicos (PV)
Los dispositivos fotovoltaicos (PV) generalmente se encapsulan con etileno-acetato de vinilo (EVA) para proporcionar soporte mecánico, acoplamiento óptico, aislamiento eléctrico y protección contra la exposición ambiental. Bajo exposición al agua atmosférica y/o radiación ultravioleta, el EVA se descompondrá para producir ácido acético, lo que reducirá el pH y aumentará las tasas de corrosión de la superficie de los dispositivos integrados. Aunque el ácido acético se produce a un ritmo muy lento, es posible que no se requiera mucho para catalizar las reacciones que conducen a un rápido deterioro del módulo. Otra consideración es que la transición vítrea del EVA, medida mediante análisis mecánico dinámico, comienza a temperaturas de aproximadamente –15°C. En algunos climas, se pueden alcanzar temperaturas más bajas que estas durante períodos prolongados. Debido al aumento de los módulos por debajo de la temperatura de transición vítrea, un módulo puede ser más vulnerable a daños si la nieve o el viento aplica una carga mecánica a bajas temperaturas. Los módulos que usan EVA no deben clasificarse para su uso a temperaturas tan bajas sin pruebas mecánicas de baja temperatura adicionales más allá del alcance de UL 1703.
Materiales poliméricos encapsulantes
Los materiales poliméricos encapsulantes se usan en módulos fotovoltaicos para proporcionar aislamiento eléctrico y protegerlos de daños mecánicos y corrosión ambiental. Un polímero bien adherido puede proteger una superficie al prevenir físicamente la acumulación de agua en su interfaz de unión. El agua puede mejorar la corrosión al proporcionar un medio por el cual los subproductos pueden difundirse más fácilmente fuera de la superficie para permitir una mayor corrosión. La presencia de contraiones (como Cl-, Br- o acetato) mejora de manera similar la corrosión al facilitar la difusión de iones metálicos. Además, los materiales ácidos pueden catalizar la oxidación de metales. El EVA sigue siendo el encapsulante dominante en la industria fotovoltaica a pesar de que tiene propiedades mecánicas y térmicas no ideales, una alta difusividad del agua, la necesidad de laminación al vacío en un proceso de fabricación de semi-lotes y la producción de ácido acético. Como las obleas de silicio cristalino de próxima generación se fabrican más delgadas, las propiedades mecánicas del EVA pueden no ser suficientes, especialmente a bajas temperaturas de servicio. Debido al éxito del EVA con tecnologías basadas en obleas de silicio, a menudo se ha asumido que la generación de ácido acético no es un problema. Los módulos típicos con paquetes "respirables" deberían verse menos afectados por el ácido acético que los construidos con láminas frontales y traseras impermeables (por ejemplo, vidrio), que atrapan los productos de descomposición dentro del paquete. Este tipo de paquete "no respirable" se usa comúnmente en dispositivos de película delgada. Este problema se ve agravado por la delgadez de las estructuras del dispositivo, lo que permite que pequeñas cantidades de corrosión superficial produzcan efectos perjudiciales significativos. Es necesaria más experimentación para evaluar el efecto de diferentes encapsulantes sobre la estabilidad de dispositivos de película delgada para determinar si los costos más altos de otros encapsulantes pueden justificarse por un aumento en la durabilidad. La hidrólisis de monómeros de acetato de vinilo da como resultado la producción de ácido acético, que puede acelerar la corrosión. Las propiedades mecánicas de EVA no son ideales debido a la presencia de un punto de fusión y una temperatura de transición vítrea (Tg) dentro de los límites operativos de un módulo.
Los dispositivos fotovoltaicos generalmente se encapsulan con EVA para proporcionarles soporte mecánico, aislamiento eléctrico y protección contra la exposición ambiental. Durante la exposición al agua, el calor y/o la radiación ultravioleta, el EVA se descompondrá para producir ácido acético, lo que reducirá el pH y, en general, aumentará las tasas de corrosión de la superficie. El EVA también pasa por una Tg a partir de aproximadamente -15°C, lo que hace que su uso a bajas temperaturas sea una preocupación importante. A pesar de estas deficiencias, EVA ha demostrado ser adecuado para la mayoría de los entornos terrestres que utilizan dispositivos basados en obleas de silicio. Sin embargo, las tecnologías fotovoltaicas de película delgada se construyen utilizando capas que tienen solo unas pocas micras de espesor, lo que las hace potencialmente mucho más sensibles a la corrosión de la superficie que las tecnologías basadas en obleas de silicio.
Encapsulado EVA (Etileno Acetate de Vinilo)
Se laminan todas las células juntas al vacío. Fundiendo el EVA se consigue que la célula quede completamente rodeada, evitando que el agua o el oxígeno entre. Se le añade una capa resistente a los UV en la parte superior lo que suele ser un vidrio duro y trasparente. La parte posterior es generalmente una película laminada opaca o una lámina convencional de vidrio endurecido. Esta encapsulación no suele ser muy utilizada por su degradación con el tiempo.
Encapsulado PVB (Polyvinyl butyral)
Por su fçacil laminación, se requiere el uso de cristal de seguridad laminado dentro de techos de vidrio o fachadas. Los módulos amorfos de cristal de vidrio fotovoltaico con encapsulación están disponibles para laminar adecuadamente módulos cristalinos. El cristal de tipo PVB da opción a poder soportar fuerzas mecánicas mayores.
Encapsulado TEFLON
Las células se colocan encima del sustrato ya que por su color transparente no necesitan ninguna tapa adicional en la parte superior. Las características de este encapsulado son, el ser resistentes a los rayos ultravioleta (UV), tener gran transparencia, repeler la suciedad, que no se desvanece y que tiene una superficie libre de reflejos. Es un muy buen conductor de calor, que puede usar como sustrato una hoja de vidrio endurecido convencional. Se utiliza principalmente para módulos especiales de pequeña escala.
Encapsulado de resina
La célula solar se coloca entre dos láminas de cristal y se adhieren una a otra mediante la resina fundida. La hoja delantera consiste en un cristal blanco altamente transparente, endurecido y la trasera de vidrio endurecido convencional. Para endurecer la estructura se necesitan rayos ultravioletas. El posicionamiento de las celdas es muy preciso permitiendo que los huecos entre ellas sean uniformes. Se utiliza generalmente en módulos hechos a medida en fachadas, tejados y en dispositivos de protección solar.
Encapsulamiento
Los encapsulantes usados son peliculares y por lo tanto las capas de encapsulante se tienen que estratificar con calor y en condiciones de vacío lo que provoca que se fundan, unan a las superficies adyacentes, y literalmente "encapsulen" las células solares. Los métodos que existen actualmente para encapsulación de módulos de células solares se llevan a cabo usualmente de modo discontinuo debido a la etapa de estratificación que hace lento todo el procedimiento dando como resultado el hecho de que el coste total de encapsular los módulos es alto. En muchos casos, se pueden aplicar varias capas de encapsulante usando el mismo o diferentes materiales encapsulantes para diferentes capas. Por ejemplo, un módulo puede comprender un superestrato que soporta una pluralidad de células solares con una primera capa de encapsulante que es transparente a la luz solar, utilizado como adhesivo, para adherir el superestrato a una serie de células solares interconectadas. Una segunda o capa trasera de encapsulante se puede aplicar a continuación sobre la primera capa de encapsulante e interconectar las células solares. La segunda capa de encapsulante puede ser una capa adicional del mismo material que se usa para el primer encapsulante, por ejemplo, acetato de etilenvinilo (EVA) y/o puede ser transparente o de cualquier color apropiado. El substrato está presente en forma de una dura o rígida capa dorsal (backskin) para proporcionar protección a la superficie trasera del módulo. Se ha propuesto una amplia variedad de materiales para el substrato, que no necesita necesariamente ser transparente a la luz, estos incluyen los mismos materiales que el superestrato, por ejemplo, vidrio, pero pueden incluir también materiales tales como fluoropolímeros orgánicos tales como etileno tetratfluoroetileno (ETFE) o poli (tereftalato de etileno) (PET) solo o revestido con materiales basados en silicio y oxígeno (SiOx) .
¿Qué pasa si el EVA es de mala calidad ?
Las celdas solares son de silicio y este elemento químico tiene tendencia a formar moléculas con otros átomos, entre sus preferidos está el oxígeno. Si el EVA es de mala calidad o el proceso de laminación no se hizo correctamente, la oblea de silicio entrará en contacto con agua u oxígeno. Como resultado, el panel comenzará a oxidarse, luciendo amarillo o marrón dependiendo del caso. En la foto se pueden ver los efectos que se producen en un módulo fotovoltaico cuando falla el encapsulante de EVA. La consecuencia de esto será que el panel tenga menor eficiencia. Lo que reducirá la eficiencia de todo el sistema. Y la solución será reemplazar el panel por uno nuevo.