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Las células solares se empezaron a utilizar en la década de los 60 para proporcionar energía a los satélites. En la actualidad se encuentran en plena difusión como fuentes de producción de energía alternativa o energía verde. La reducción de los precios en los nuevos paneles solares hace de estos sistemas generadores de energía, un método realmente atractivo de producción de electricidad, incluso para uso privado.

celulaLa 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 poco 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. 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.

En cada uno de los pasos de la producción de las células y de los paneles, 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. La visión artificial juega un importante papel en cada una de las etapas de la fabricación.

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 procede a un repaso de 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 soporte 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.

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Del Lingote al Panel

Como se ha mencionado anteriormente, 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.

Ya en el mismo lingote se puede empezar 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, sólo 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 permiten 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, las cuales detectan las grietas de menor tamaño. Actualmente estas 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 Infrared Solutions, distribuidos exclusivamente por INFAIMON.

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 cámaras 3D basadas en triangulación láser, que recrean el modelo 3D del lingote. A medida que las cámaras se desplazan a lo largo del lingote, se va construyendo una representación en 3D de la barra de silicio en el ordenador. Una vez obtenida esta representación, se determina el mejor método de corte de las obleas, para tener la mínima merma posible.

vision artificial

Proceso de determinación de defectos en visión artificial

Control de las obleas y células solares

En el proceso de corte se pueden llegar a introducir numerosos defectos debidos tanto al mismo corte, como a la propia estructura del material. Entre los numerosos defectos a controlar se deben destacar: 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 y las marcas de huellas digitales por deficiente manipulación.

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 conlleva algunas dificultades adicionales.  En las células de silicio monocristalino algunos de estos defectos son menos complejos de determinar, en cambio en silicio policristalino 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, obligando además a utilizar cámaras de muchísima mayor resolución.

Igualmente, 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, pueden 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 superficie. En las células también se debe controlar su forma o geometría, para poderlas ajustar con precisión en el proceso de implantación en cadenas.

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 hasta 50 megapíxeles, cuando se trabaja con células de reducido tamaño. Siendo necesaria la utilización de numerosas cámaras lineales en paralelo de hasta 16.000 píxeles por línea, cuando el tamaño de las células es mayor o cuando se trabaja con  paneles de capa fina. Entre los fabricantes de cámaras lineales debemos destacar Teledyne Dalsa, como principal proveedor de esta tecnología, ya que está desarrollando sensores específicamente diseñados para resolver este tipo de aplicaciones. Las cámaras matriciales de alta definición utilizadas con mayor frecuencia son de fabricantes tales como Allied Vision, Teledyne Dalsa, IDS Imaging o JAI Cameras que tienen una gama muy extensa de cámaras matriciales de muy alta definición.

Otro importante punto a tener en cuenta en la inspección de las células en “bruto”, es su forma en cuanto a su espesor y a grado de ondulación. 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 Gocator de LMI Technologies o cámaras de AT Automation Technology, conjuntamente con programas de procesado 3D como Sherlock de Teledyne Dalsa o Halcon de MVTec.

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 presentan una carga positiva, pudiendo utilizar fósforo 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-reflejos 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.

Determinación de burbujar mediante métodos 3D para la visión artificial

Texturizado, limpieza y proceso de grabación de surcos

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 megapíxeles,  ya que estas líneas no acostumbran a ser superiores a unas pocas micras.

El proceso de revestimiento también es analizado, es posible medir el espesor de este revestimiento mediante la utilización de sistemas de iluminación especialmente diseñados, que permiten observar las diferencias de comportamiento con respecto a la luz en función del espesor de este revestimiento (coating). Este tipo de inspección, dependiendo del tamaño de las células, se puede hacer con distintos tipos de cámaras, con resoluciones que oscilan entre 1.5 y 50 Megapíxeles. En ocasiones, se utilizan cámaras en color, que permiten distinguir con mayor nitidez estos cambios de tonalidad relacionados con el espesor.

El proceso de fijar las capas (filamentos) de contactos eléctricos tampoco está exento de errores. Es habitual que se produzcan cortocircuitos en estos filamentos, que obstaculicen el paso de la corriente eléctrica y por tanto hagan perder efectividad a la célula solar. Estos cortocircuitos pueden ser realmente de muy pequeñas dimensiones y por tanto también es necesario en este caso utilizar cámaras de muy alta definición lineales o matriciales, según el proceso de fabricación.

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 pérdida 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.

Como se ha comentado, 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, ésta 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 sólo pueden llegar a capturar imágenes con longitudes de onda hasta los 1.100nm, éstas 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.

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. Estás cámaras son las que se recomiendan especialmente, aunque en este caso las resoluciones de este tipo de cámaras son más reducidas (640 x 480 píxeles) y sus costes son más elevados.

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Cámaras sensibles al infrarrojo

Paneles solares

El siguiente paso es la producción de paneles solares a partir de las células solares. Se empieza por la clasificación de las células, agrupándolas según su potencia máxima. La potencia máxima de cada cadena de células está condicionada por la capacidad individual de la célula más débil de la cadena. Mediante el sistema de clasificación, se asegura que únicamente se formen cadenas de células solares con potencias similares, garantizando de este modo el uso eficiente del inventario de las mismas.

El proceso de clasificación y almacenamiento de estas células solares se lleva a cabo mediante sistemas robotizados. La visión artificial en este punto ayuda a los robots a localizar la posición y rotación de las células y de esta forma efectuar el agarre con total eficiencia, evitando roturas de este material debido al manejo ineficiente.

Posteriormente, se procede al montaje de cadenas y matrices, para configurar los paneles. Las células solares con capacidad similar se agrupan y se conectan mediante bandas conductoras metálicas. Este proceso de montaje está totalmente automatizado y una vez más interviene la simbiosis robot/visión para automatizar el proceso de la forma más eficiente. Durante el proceso se prosigue con una meticulosa inspección mediante cámaras de visión artificial de alta resolución y lámparas de infrarrojos para detectar posibles fallos en la soldadura.

Una vez conectadas las células, varias cámaras de alta definición capaces de detectar impurezas microscópicas, realizan una inspección informatizada de la superficie de cada una de las “cadenas”. A continuación, se procede a la colocación de la matriz en un panel de vidrio de alta transparencia cubierto con un film de sellado. Una vez más el vidrio que cubre estos paneles solares ha sido inspeccionado mediante cámaras lineales de muy alta definición, para localizar posibles defectos, impurezas o suciedad que pudieran reducir la eficiencia del panel.

Avances en la visión artificial

Inspección informatizada de la superficie

Montada ya una matriz completa sobre el panel de vidrio, las alineaciones de células que forman la matriz se interconectan y se preparan las conexiones externas. Se deposita una capa adicional de película de sellado y una lámina protectora sobre la matriz con el fin de proteger la unidad de los efectos degradantes de la radiación ultravioleta.

En esta etapa se procede al sellado de los paneles. Las unidades de laminado crean un vacío neumático en el interior del módulo para obtener un sellado mejorado.

El último paso tiene por objeto fijar la matriz de células solares a una estructura de aluminio, que se utiliza para facilitar la manipulación y la instalación de los módulos y para mejorar su resistencia a las condiciones meteorológicas. Finalmente, la unidad se somete a una prueba de seguridad eléctrica con el fin de garantizar, por ejemplo, que no existen cortocircuitos que pudieran dar lugar a una descarga eléctrica en la estructura del módulo.

Cada panel completado se envía, a continuación, a una etapa de simulación solar adicional con el fin de medir su producción eléctrica en diversas situaciones. El resultado de dicho proceso se registra y cada módulo se etiqueta con su número de serie y sus características eléctricas. En el proceso de etiquetado intervienen los sistemas de lectura para OCR y códigos de barras y códigos de matriz, basados en sensores de visión que permiten realizar la trazabilidad de las placas una vez han sido fabricadas y comercializadas.

 

Control de eficiencia en instalaciones solares

La intervención de la visión artificial no termina en este punto sino que se extiende al control de la eficiencia de los paneles solares una vez instalados y en plena producción. Las células solares que han dejado de funcionar o que tienen una muy baja eficiencia no disipan la energía y por tanto incrementan su temperatura. La utilización de cámaras termográficas que permiten visualizar la temperatura se recomienda especialmente para este tipo de aplicaciones. Estas cámaras pueden situarse de forma fija en un lugar elevado, de manera que automáticamente vayan controlando cada una de placas, pudiendo dar aviso al centro de producción en el caso de que alguna placa pierda eficiencia. También existen cámaras térmicas portátiles que permiten hacer un mantenimiento preventivo siendo utilizadas por operarios que pueden realizar el control panel a panel.

Cámara térmica utilizada para la visión artificial

Control panel a panel mediante una cámara térmica

Conclusión

Basándonos en la información presentada, queda claro que la demanda de energías alternativas está en una expansión superior a los dos dígitos. Esto, evidentemente es una muy buena noticia para la industria de la visión artificial, ya que se ha comprobado que prácticamente es imprescindible en cada uno de los procesos de fabricación de esos elementos, y que es imprescindible si se quiere aumentar la producción al nivel que el mercado está requiriendo.

La visión artificial seguirá aportando nuevos productos y nueva tecnología que permitirá aumentar la calidad y efectividad de los sistemas de producción de energía eléctrica mediante radiación solar. Éste es el momento en que países ricos en horas de exposición solar apuesten por esta tecnología y desarrollen sus plantas de producción cercanas a sus lugares de máxima aplicación.

El asesoramiento de compañías como INFAIMON, especializadas en visión artificial y líderes en el mercado, garantizan un importante ahorro de tiempo y recursos financieros a todas aquellas empresas que están desarrollando sistemas de producción de electricidad basadas en energía solar.

 

Salvador Giró
CEO Grupo INFAIMON

 

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