Introducción

La tecnología solar fotovoltaica ha evolucionado rápidamente en la última década, con varias arquitecturas de células competidoras que elevan la eficiencia a nuevas alturas. Este artículo repasa los principios fundamentales de funcionamiento de las células solares, luego desglosa las tres principales tecnologías de próxima generación que están dando forma a la industria hoy en día, y concluye con una mirada 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 por debajo del bandgap no se absorben y simplemente atraviesan la célula.

• Los fotones con energía por encima del bandgap se absorben y generan pares electrón-hueco, pero el exceso de energía de los fotones de alta energía se pierde parcialmente como calor.

• La separación de carga 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 voltaje, causando pérdidas de voltaje de contacto.

Reducción de pérdidas eléctricas

• Seleccionar obleas con buena estructura cristalina y el tipo adecuado.

• Desarrollar técnicas ideales de formación de unión pn.

• Desarrollar técnicas ideales de pasivación.

• Adoptar técnicas de contacto metálico razonables.

• Aplicar excelentes tecnologías de campo frontal y trasero.

Reducción de 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 texturizado de la superficie de la oblea para reducir la reflexión, recubrimientos antirreflectantes en la superficie frontal, recubrimientos reflectantes en la superficie posterior y 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 nuevas tecnologías como HJT e IBC, TOPCon puede actualizarse directamente desde las líneas PERC o PERT existentes. Como resultado, los fabricantes que deseen actualizar sus líneas de producción existentes necesitan una inversión de capital relativamente baja, mientras logran una ganancia sólida de eficiencia de alrededor del 1%.

La parte frontal de una célula TOPCon es esencialmente la misma que una célula N-type o N-PERT convencional, que consiste en 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 delgada 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 por Óxido de Túnel

El Contacto Pasivado por Óxido de 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 de túnel delgado y una capa de contacto de polisilicio dopado con fósforo (P). La capa de polisilicio dopado con P puede fabricarse cristalizando a-Si:H o depositando directamente polisilicio usando LPCVD. TOPCon se destaca como un candidato prometedor entre las tecnologías de células solares de alta eficiencia.

HJT Heterounión

La tecnología de heterounión (HJT) es un método de fabricación de paneles solares que ha estado en aumento durante la última década. Actualmente es uno de los procesos más efectivos para llevar la eficiencia y la potencia de salida a niveles altos, incluso superando el rendimiento de la tecnología PERC dominante en la industria. Las células HJT combinan dos tecnologías diferentes en una: silicio cristalino y película delgada amorfa. El uso conjunto de estas tecnologías cosecha más energía que usando cualquiera de ellas por separado, alcanzando eficiencias del 25% o más.

Estructura de la célula HJT

Usando 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 tipo p en la parte frontal limpia y texturizada de la oblea, formando una heterounión p-n. En la parte posterior de la oblea, se depositan una película intrínseca de 5–10 nm y una película de a-Si:H tipo n para formar un campo superficial posterior. Luego se deposita una película conductora 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 fue desarrollada para 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 delgada 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 hoy tienen eficiencias entre 19.9% y 21.7%, una gran mejora en comparación con 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 en ascenso en el campo fotovoltaico y ha despertado un gran interés en el ámbito académico. Debido a que sus métodos de operación aún son relativamente nuevos, hay muchas oportunidades 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 las rocas minerales de los Montes Urales y nombrado 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 película comúnmente utilizados en el laboratorio son la deposición en uno o dos pasos. 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 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, representando más del 90% de las ventas globales del mercado de células fotovoltaicas.

En el laboratorio, la eficiencia de conversión de energía de las células de silicio cristalino supera el 25% para células monocristalinas y alcanza el 20% o más para 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 reflectividad de la superficie texturizada es un medio importante para monitorear el proceso de texturizado.

Formación de unión por difusión y aislamiento de bordes

La difusión térmica y métodos similares forman una capa de difusión de un tipo de conductividad diferente sobre la oblea, creando la unión pn. Diferentes tipos de celdas depositan una capa de pasivación de cierto espesor entre la unión pn y la oblea para obtener una celda solar de película delgada más eficiente. Este proceso monitorea principalmente el tiempo de vida de los portadores minoritarios, el espesor de la oblea y el índice de refracción.

Deposición de capa antirreflectante

Para mejorar aún más la absorción de luz, se aplica una película antirreflectante sobre la superficie de la oblea. Actualmente, la industria utiliza deposición química de vapor asistida por plasma (PECVD) para depositar una película delgada sobre la oblea, que actúa simultáneamente como capa de pasivación. En esta etapa, las mediciones principales son la transmitancia de la película antirreflectante y la uniformidad de la resistencia de hoja.

Fabricación de electrodos

Los electrodos de línea de rejilla se imprimen por serigrafía en la parte frontal de la celda, mientras que el campo superficial posterior y el electrodo trasero se imprimen en la parte posterior, 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.

Opinión de Ooitech

ooitech cree: TOPCon, HJT y perovskita impulsan la eficiencia de las celdas solares cada una 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.