Degradación por temperatura y dinámica de LeTID

Respuesta rápida: Las células de contacto posterior interdigitado trasladan ambos contactos de polaridad a la parte trasera, y el comportamiento térmico de esa arquitectura difiere del de una célula de contacto frontal. Este análisis abarca la degradación térmica y la degradación inducida por luz y temperatura elevada, o LeTID, en células IBC en condiciones desde 25 °C hasta 85 °C, con voltajes de circuito abierto reportados de alrededor de 0,743 V y 0,69 V para las estructuras comparadas. La degradación de este tipo es parcialmente recuperable, lo que facilita malinterpretarla: una célula que se recupera tras retirar el estrés aún puede haber perdido rendimiento de forma permanente, y un ensayo que solo registra el número final no puede separar ambas cosas. La temperatura de medición importa tanto como la temperatura de estrés, porque tanto la degradación como la recuperación se activan térmicamente.

Fabricación de módulos fotovoltaicos · por Jerry, Ooitech

Introducción del producto

Las células solares de contacto posterior interdigitado (IBC) trasladan ambos contactos metálicos de polaridad a la parte trasera. La parte frontal no presenta sombreado por líneas de rejilla, por lo que las ventajas ópticas del texturizado y del recubrimiento antirreflectante se aprovechan por completo. Combinadas con una buena pasivación y un buen proceso de contacto, las células IBC de tipo n pueden alcanzar un voltaje de circuito abierto y una densidad de corriente muy elevados.

La contrapartida es una sensibilidad estructural inherente al diseño. Los portadores minoritarios fotogenerados tienen que desplazarse lateralmente a través de la base antes de que el emisor interdigitado posterior pueda recolectarlos. El rendimiento del dispositivo depende en gran medida del tiempo de vida en el volumen y de la calidad de la pasivación posterior. Una vez que la recombinación en la interfaz posterior o la fuga del contacto se activan térmicamente, la densidad de corriente de saturación en oscuridad J0 aumenta de forma desproporcionada, y el Voc se resiente.

Ese es exactamente el punto de partida de este trabajo. En una célula IBC de tipo n, tres conjuntos de evidencias se colocan en el mismo entorno térmico para que encajen entre sí: mediciones J-V bajo iluminación de 25 a 85 °C, un experimento de estrés LeTID realizado bajo un sol a 45-85 °C durante hasta 960 minutos, y un análisis I-V en oscuridad en el mismo rango de temperatura.

Diseño experimental

Esquema de la sección transversal de la célula IBC de tipo n: emisor p+ interdigitado posterior y contactos BSF n+, texturizado frontal y ARC.

La célula de ensayo tiene un área de 258,3 cm², un grosor de oblea de 151 ± 6 μm, un período interdigitado posterior de aproximadamente 480 μm, y anchos de dedo del emisor y del BSF de aproximadamente 250 μm y 90 μm. Las mediciones bajo iluminación se realizaron a AM1.5G, 100 mW/cm². En cada punto de temperatura, tras la estabilización térmica, se promediaron cinco barridos. El estrés LeTID se midió directamente a la temperatura de estrés, sin enfriar a mitad del ensayo, y se registró a intervalos exponenciales de 1, 2, 4, 8 minutos y así sucesivamente. Cada parámetro se normalizó a su valor inicial, lo que separa la dinámica de degradación intrínseca del efecto instantáneo del coeficiente de temperatura.

Sensibilidad térmica en estado estacionario

Evolución térmica normalizada de cuatro parámetros respecto a sus propios valores a 25 °C.

A 25 °C la célula muestra un Jsc de alrededor de 38,6 mA/cm², un Voc de alrededor de 0,743 V, un FF de alrededor del 79 %, y una eficiencia de alrededor del 22,7 %. Al calentar a 85 °C, el Jsc aumenta solo alrededor del 3 % (+0,0203 mA·cm⁻²·K⁻¹, aproximadamente +0,05 %/K). El Voc cae linealmente a −1,4 mV/K (aproximadamente −0,2 %/°C). La eficiencia disminuye alrededor del 9 %, y el FF apenas se mueve.

El pequeño aumento de corriente proviene del estrechamiento del bandgap. Según la relación de Varshni, el borde de absorción se desplaza hacia longitudes de onda más largas, por lo que la fotogeneración recibe un ligero impulso. La rápida caída de voltaje proviene del crecimiento exponencial de J0(T), regido por la concentración intrínseca de portadores y la actividad de recombinación. El Voc escala con ln(Jsc/J0), por lo que un aumento moderado de J0 basta para causar una pérdida medible.

Este coeficiente de temperatura se sitúa en el rango de −1,3 a −1,6 mV/K común en dispositivos de silicio cristalino de alta calidad. Señala una célula limitada por recombinación en lugar de una limitada por resistencia o transporte. Tras la normalización, el orden es igual de claro: a 85 °C el Voc cae alrededor del 15 %, la eficiencia alrededor del 9 %, el FF se mantiene dentro de ±1 %, y el Jsc de hecho gana alrededor del 3 %.

Dinámica de LeTID

Dinámica de degradación por LeTID.

La medición en estado estacionario solo responde a "cuánto calor". El experimento de estrés LeTID completa "cómo cambia con el tiempo". A 85 °C, el Voc cae rápidamente en los primeros 10 a 30 minutos, y luego se aproxima lentamente a una cuasi-saturación. A temperaturas más bajas la caída es mucho más suave. Tras 960 minutos el Voc cae a alrededor de 0,69 V, el Jsc se mantiene dentro de ±2 % en todo momento, el FF oscila ligeramente, y no aparece regeneración dentro de la ventana experimental. Dado que las mediciones se tomaron a la temperatura de estrés tras la estabilización térmica, la caída temprana de voltaje debe atribuirse a una rápida activación de estados de defecto en lugar de a un equilibrio térmico transitorio. El Jsc estable indica que la fotogeneración y la extracción en cortocircuito no se vieron afectadas, por lo que la pérdida dominante no está limitada por la generación. Los autores también señalan una limitación: no hay un experimento de control de recocido en oscuridad, por lo que no puede descartarse por completo la contribución de un efecto puramente térmico.

Verificación en estado oscuro

Comportamiento eléctrico en oscuridad y canales de fuga: (a) curvas J-V en oscuridad, (b) resistencia diferencial, (c) resistencia shunt y serie extraídas, (d) análisis de Arrhenius de la conductancia shunt que da Ea ≈ 1,10 eV.

La I-V en oscuridad aborda el mismo problema desde fuera del régimen iluminado. La corriente directa aumenta notablemente con la temperatura. La pendiente a baja polarización muestra que la resistencia shunt cae claramente, mientras que la región de alta corriente cambia poco. Así, la evolución de la resistencia impulsada por la temperatura está dominada por la activación de fugas, no por la degradación de la resistencia serie. El factor de idealidad se mantiene en 1,05 a 1,25, lo que significa que domina la recombinación por difusión, con una posible contribución SRH a alta temperatura.

Un análisis de Arrhenius de la conductancia shunt da un buen ajuste lineal de ln(1/Rsh) frente a 1/T (R² = 0,97), con una energía de activación de 1,10 ± 0,08 eV. Es comparable al bandgap del silicio (alrededor de 1,12 eV) y cae dentro del rango reportado de LeTID de 0,8 a 1,2 eV. Una energía de activación a escala del bandgap suele vincularse a conducción asistida por defectos de nivel profundo, pero no puede excluirse una contribución de la concentración intrínseca de portadores. Por tanto, respalda un comportamiento de fuga activado térmicamente sin determinar una especie de defecto específica.

Marco unificado y extrapolación de campo

Tres líneas de evidencia convergen en un único marco fenomenológico: J0(t, T) = J0,intr(T) + A·Ndef(t, T). Sobre la corriente de saturación intrínseca se asienta una contribución de defectos activada térmicamente que evoluciona con el tiempo y la temperatura. Esta luego se convierte en pérdida de voltaje mediante Voc = (nkT/q)·ln(Jsc/(J0 + 1)). La mejora de la recombinación y la activación de fugas corren en paralelo dentro de la misma expresión. El coeficiente de temperatura en estado estacionario, la dinámica de LeTID y la evolución de la fuga en oscuridad quedan así vinculados entre sí. El marco no identifica una identidad de defecto específica.

Extrapolando a la operación en exteriores: bajo alta irradiancia, las temperaturas de las células del módulo suelen situarse entre 50 y 65 °C. Usando −1,4 mV/K, 60 °C respecto a 25 °C significa alrededor de 49 mV de pérdida de voltaje, y el LeTID acelerado por temperatura añade una pérdida dependiente del tiempo sobre eso. Las conclusiones se aplican solo a la célula medida. Para back-contact TOPCon y HJT de back-contact son solo una referencia cualitativa: la magnitud de la degradación, la energía de activación y la dinámica de regeneración dependen del esquema de contacto pasivante de cada uno, la calidad de la interfaz, la distribución de hidrógeno y la estabilidad térmica, y merecen un estudio comparativo dedicado. Para dispositivos de back-contact de alta eficiencia en climas cálidos, la robustez del voltaje y el rendimiento energético a largo plazo dependen en última instancia de la estabilidad de la pasivación trasera y la gestión de defectos.

Ooitech cree: las uniones de recombinación de nanocristales de In₂O₃ con ingeniería de superficie combinadas con la ingeniería de HSM en volumen/interfaz han llevado los módulos tándem totalmente de perovskita de gran área a una eficiencia certificada del 26,2 %, acercando decisivamente esta tecnología a la comercialización.

Lo que nos llama la atención aquí es cuánto de esa pérdida exterior de 49 mV reside en el lado trasero, donde la pasivación y la calidad del contacto determinan el Voc a largo plazo. En la línea de módulos la historia es la misma: cómo se corta, se ensarta y se lamina una célula IBC decide si esa estabilidad trasera sobrevive en el campo. Habiendo construido líneas llave en mano para diseños IBC y HPBC, vemos la robustez frente al LeTID como un problema de proceso y materiales tanto como de célula. Vale la pena seguirnos en nuestro canal de YouTube www.youtube.com/ooitech si quieres ver cómo se construyen realmente los módulos de back-contact.