Comprender las tres principales tecnologías de celdas fotovoltaicas:
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Respuesta rápida: Las tres principales tecnologías de células fotovoltaicas en producción hoy en día son PERC, TOPCon y heterounión (HJT), con arquitecturas de contacto posterior que forman una cuarta familia construida sobre ellas. Se distinguen por lo que ocurre en la superficie de la célula y no por la oblea de silicio, que es en términos generales el mismo material de tipo N o de tipo P en cada caso. PERC añade una capa de pasivación y contactos traseros locales a una célula de tipo p. TOPCon reemplaza la parte trasera con un óxido túnel ultrafino —de alrededor de 2 nm— bajo una capa de polisilicio dopado de unos 10 nm de grosor, que pasiva la superficie y permite que los portadores atraviesen por efecto túnel. HJT deposita capas finas de silicio amorfo en ambas caras y necesita temperaturas de proceso más bajas. Las diferencias se manifiestan en la eficiencia, el coeficiente de temperatura, la compatibilidad de línea y el costo, y cada una influye en la elección de equipos por parte del fabricante.
Fabricación de módulos fotovoltaicos · por Jerry, Ooitech
Introducción
La tecnología solar fotovoltaica ha evolucionado rápidamente durante la última década, con varias arquitecturas de células competidoras que llevan la eficiencia a nuevas alturas. Este artículo repasa los principios de funcionamiento fundamentales de las células solares, luego desglosa las tres principales tecnologías de próxima generación que dan forma a la industria hoy en día, y cierra con un vistazo al control de calidad en la producción de células.
Cómo funcionan las células solares fotovoltaicas
Una célula solar convierte la luz en electricidad, pero no todos los fotones entrantes contribuyen por igual. Comprender dónde se pierde energía es el primer paso para construir mejores células.
Los fotones con energía inferior al bandgap no se absorben y simplemente atraviesan la célula.
Los fotones con energía superior al bandgap se absorben y generan pares electrón-hueco, pero el exceso de energía de los fotones de alta energía se pierde en parte como calor.
La separación de cargas y el transporte de los portadores generados incurren en pérdidas en la unión pn.
Las pérdidas por recombinación ocurren durante el transporte de portadores.
La resistencia de contacto introduce una caída de tensión, lo que provoca pérdidas de tensión por contacto.
TOPCon, HJT y perovskita"/>
Reducción de las pérdidas eléctricas
Elija obleas con una buena estructura cristalina y el tipo adecuado.
Desarrolle técnicas ideales de formación de uniones pn.
Desarrolle técnicas ideales de pasivación.
Adopte técnicas razonables de contacto metálico.
Aplique excelentes tecnologías de campo de superficie frontal y de superficie posterior.
Reducción de las pérdidas ópticas
Para reducir las pérdidas ópticas y aumentar la eficiencia de las células, la industria ha desarrollado una serie de enfoques y tecnologías de captura de luz. Estos incluyen el texturizado de la superficie de la oblea para reducir la reflexión, recubrimientos antirreflectantes en la superficie frontal, recubrimientos reflectantes en la superficie posterior y la minimización del área de sombreado de las líneas de rejilla.
TOPCon
TOPCon, también conocida como tecnología de contacto pasivado, es ampliamente considerada como la tecnología de células solares de próxima generación después de PERC. En comparación con otras posibles tecnologías nuevas como HJT e IBC, TOPCon puede actualizarse directamente desde las líneas PERC o PERT existentes. Como resultado, los fabricantes que desean actualizar sus líneas de producción existentes necesitan una inversión de capital relativamente baja, mientras siguen logrando una sólida ganancia de eficiencia de alrededor del 1%.
La cara frontal de una célula TOPCon es esencialmente la misma que la de una célula convencional de tipo N o N-PERT, y consta de un emisor de boro (p+), una capa de pasivación y una capa antirreflectante. La tecnología central reside en el contacto pasivado trasero: la parte posterior de la oblea lleva una capa de óxido ultrafina (1–2 nm) más una película fina de silicio mixto micro/amorfo dopado con fósforo. Para aplicaciones bifaciales, la metalización se realiza mediante serigrafía de rejillas de Ag o Ag-Al en la parte frontal y rejillas de Ag en la parte posterior.
Contacto Pasivado con Óxido Túnel
El contacto pasivado de óxido túnel (TOPCon) ha atraído una atención significativa recientemente porque logra una alta eficiencia de conversión del 25,7%. La estructura TOPCon se compone de un óxido túnel delgado y una capa de contacto de polisilicio dopado con fósforo (P). La capa de polisilicio dopada con P se puede fabricar cristalizando a-Si:H o depositando directamente polisilicio mediante LPCVD. TOPCon destaca como un candidato prometedor entre las tecnologías de células solares de alta eficiencia.
Heterounión HJT
La tecnología de heterounión (HJT) es un método de fabricación de paneles solares que ha ido en aumento durante la última década. Actualmente es uno de los procesos más eficaces para llevar la eficiencia y la potencia de salida a niveles altos, incluso superando el rendimiento de la tecnología PERC predominante en la industria. Las células HJT combinan dos tecnologías diferentes en una: silicio cristalino y película fina amorfa. El uso conjunto de estas tecnologías capta más energía que el uso de cualquiera de ellas por separado, alcanzando eficiencias del 25% o superiores.
Estructura de la célula HJT
Utilizando una oblea monocristalina como sustrato, se depositan secuencialmente una película intrínseca de a-Si:H de 5–10 nm y luego una película de a-Si:H de tipo p sobre la cara frontal limpia y texturizada de la oblea, formando una heterounión p-n. En la parte posterior de la oblea, se deposita una película intrínseca de 5–10 nm y una película de a-Si:H de tipo n para formar un campo de superficie posterior. Luego se deposita una película de óxido conductor transparente y, finalmente, la serigrafía crea electrodos colectores metálicos en la parte superior de ambos lados, construyendo una célula solar HJT simétrica.
Ventajas de las células HJT
Flexibilidad y adaptabilidad — Esta tecnología se desarrolló para ofrecer una excelente capacidad de producción incluso en condiciones climáticas extremas. Los paneles HJT tienen un coeficiente de temperatura más bajo que los paneles convencionales, lo que garantiza un alto rendimiento a temperaturas externas elevadas.
Vida útil esperada — En promedio, los módulos fotovoltaicos de película fina pueden durar hasta 25 años, mientras que las células HJT pueden seguir funcionando normalmente durante más de 30 años.
Mayor eficiencia — La mayoría de los paneles de heterounión en el mercado actual tienen eficiencias entre el 19,9% y el 21,7%, una enorme mejora respecto a otras células monocristalinas convencionales.
Ahorro de costos — El silicio amorfo utilizado en los paneles HJT es una tecnología fotovoltaica rentable. En comparación con otras tecnologías, este enfoque solar de película delgada requiere un tiempo de fabricación más corto. Gracias a su proceso simplificado, HJT es más asequible que las soluciones alternativas.
Perovskita
En 2009, los materiales de perovskita se utilizaron por primera vez para lograr una eficiencia fotovoltaica del 4%. Para 2021, las células solares de perovskita de unión simple (PSC) alcanzaron una eficiencia del 25,5%. La rápida mejora de las células de perovskita las ha convertido en una estrella emergente en el campo fotovoltaico y ha despertado un gran interés en el ámbito académico. Debido a que sus métodos de funcionamiento aún son relativamente nuevos, existe una gran oportunidad para estudiar más a fondo la física y la química subyacentes de la perovskita.
Estructura de la célula de perovskita
La mayoría de las estructuras avanzadas de células solares de perovskita se basan en cinco componentes: un óxido conductor transparente, una capa de transporte de electrones (ETL), la perovskita, una capa de transporte de huecos (HTL) y un electrodo metálico. Comprender y optimizar los niveles de energía y las interacciones de diferentes materiales en estas interfaces es un área de investigación muy emocionante que aún está en discusión activa.
CaTiO3
Perovskita es el nombre de un mineral, descubierto en 1839 por Rose en los minerales rocosos de los Montes Urales y nombrado así en honor al geólogo ruso Perovski. Los materiales de perovskita tienden a tener una baja probabilidad de recombinación de portadores y una alta movilidad de portadores, lo que los convierte en materiales ideales para células solares.
Métodos de formación de películas de perovskita
La clave para mejorar la eficiencia de conversión de energía de las células solares de perovskita radica en optimizar la morfología de la película. Los métodos de formación de películas comúnmente utilizados en el laboratorio son la deposición por proceso de una etapa o de dos etapas. Para satisfacer la demanda de películas de perovskita de gran área y bajo costo, también se utilizan equipos de procesamiento como recubrimiento por ranura, impresión y pulverización para fabricar células solares de perovskita.
El futuro de la perovskita
Es probable que la investigación futura sobre la perovskita se centre en reducir la recombinación mediante estrategias como la pasivación y la reducción de defectos, así como en mejorar la eficiencia incorporando perovskitas bidimensionales y materiales de interfaz más optimizados. Las capas de extracción de carga pueden pasar de materiales orgánicos a inorgánicos para mejorar la eficiencia y la estabilidad. Mejorar la estabilidad y reducir el impacto ambiental siguen siendo áreas importantes.
Control de calidad en la producción de células solares fotovoltaicas
Las células fotovoltaicas de silicio cristalino son las células más comunes en los paneles solares comerciales, y representan más del 90% de las ventas del mercado mundial de células fotovoltaicas.
En el laboratorio, la eficiencia de conversión de energía de las células de silicio cristalino supera el 25% para las células monocristalinas y alcanza el 20% o más para las células policristalinas. Sin embargo, los módulos solares producidos industrialmente actualmente solo alcanzan una eficiencia del 18%–22% en condiciones de prueba estándar.
Limpieza y texturizado
El grabado elimina la capa de daño superficial y texturiza la superficie para formar una estructura texturizada que atrapa la luz y reduce las pérdidas por reflexión. Medir la reflectancia de la superficie texturizada es un medio importante para monitorear el proceso de texturizado.
Formación de la unión por difusión y aislamiento de bordes
La difusión térmica y métodos similares forman una capa de difusión de un tipo de conductividad diferente en la oblea, creando la unión pn. Diferentes tipos de células depositan una capa de pasivación de cierto grosor entre la unión pn y la oblea para obtener una célula solar de película delgada más eficiente. Este proceso monitorea principalmente la vida útil de los portadores minoritarios, el grosor de la oblea y el índice de refracción.
Deposición de recubrimiento antirreflectante
Para mejorar aún más la absorción de luz, se aplica una película antirreflectante sobre la superficie de la oblea. Actualmente, la industria utiliza la deposición química de vapor mejorada por plasma (PECVD) para depositar una película delgada sobre la oblea, que actúa simultáneamente como capa de pasivación. En esta etapa, las principales mediciones son la transmitancia de la película antirreflectante y la uniformidad de la resistencia de hoja.
Fabricación de electrodos
Los electrodos de líneas de rejilla se serigrafían en la parte frontal de la célula, mientras que el campo superficial posterior y el electrodo posterior se imprimen en la parte trasera, seguido de secado y sinterización. Durante este proceso, el control de temperatura, la precisión de alineación y la relación altura-ancho de las líneas de rejilla son indicadores de monitoreo indispensables.
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.
ooitech cree: TOPCon, HJT y perovskita impulsan cada uno la eficiencia de las células solares a su manera, y un riguroso control de calidad en la producción es lo que finalmente convierte estas tecnologías en módulos confiables y de alto rendimiento.
