¿Qué son las células solares fotovoltaicas tipo N?

Actualmente, las células fotovoltaicas de tipo N están ganando el mercado de la energía solar.

Quizás no lo sepas o nunca te hayas preocupado, pero las células utilizadas en la fabricación de módulos fotovoltaicos siempre han sido del tipo P. ¿A qué se debe este cambio ahora?

Las células fotovoltaicas de tipo N son más eficientes, pero el mercado siempre ha preferido las células de tipo P, tanto monocristalinas como policristalinas.

Inicialmente se prefirió el silicio tipo P y su fabricación se desarrolló más rápidamente debido a su alta tolerancia al daño de la radiación cósmica, lo que lo hacía ideal para aplicaciones aeroespaciales.

Lo que diferencia entre el silicio P y N es el proceso de dopaje en la fabricación del lingote con el que se fabrican las obleas. Las obleas son obleas de silicio que posteriormente se transformarán en células fotovoltaicas. Las células tradicionales se fabrican con obleas de tipo P, mientras que las células de tipo N se fabrican con obleas de silicio de tipo N.

Después de la fabricación de obleas, el siguiente paso en la fabricación de células es el dopaje final. En las células tipo P, el dopaje final añade una capa de N sobre la oblea P, formando la unión PN, como vemos en la Figura 2. En cambio, en la célula tipo N, finalmente se dopa la oblea N para recibir un silicio. capa del tipo P, como vemos en la misma figura.

Las células tipo P dominaron el mercado porque en los primeros años de la producción de materiales fotovoltaicos, la mayor parte de esta demanda procedía de agencias espaciales para la producción de satélites y otros equipos que ayudaban en la exploración espacial, ya que el Si tipo P es más resistente a Degradación causada por la exposición a los rayos cósmicos.

Ante esta demanda, las industrias comenzaron a producir células solares tipo P y lo han seguido haciendo hasta el día de hoy. Sin embargo, el silicio P también tiene otras ventajas, como las temperaturas más bajas requeridas para las difusiones de fósforo para formar la unión PN en comparación con las difusiones de boro requeridas para las células tipo N, junto con el hecho de que las difusiones de fósforo permiten la eliminación efectiva de impurezas metálicas del silicio policristalino.

Es decir, fabricar células tipo P utiliza menos energía y es más sencillo. Aunque la primera célula solar de silicio desarrollada por Bell Laboratories en 1954 fue de tipo N, las células de tipo P predominaron en el mercado industrial.

Las ventajas del silicio tipo P llevaron a su dominio inicial en el mercado y dieron como resultado que la tecnología fuera preferida por los proveedores de equipos y el desarrollo de procesos industriales.

Sin embargo, más recientemente, la búsqueda de módulos fotovoltaicos más eficientes ha desviado la atención del mercado hacia el silicio de tipo N, que desde el punto de vista de la aplicación, a pesar de una fabricación más compleja, tiene ventajas significativas sobre el silicio de tipo P.

La característica más importante del silicio tipo N es la mayor vida útil del portador (electrones libres), causada principalmente por la ausencia de la conocida hazaña boro-oxígeno. La vida útil de los soportes está directamente relacionada con la eficiencia de una célula fotovoltaica.

Ésta es la razón fundamental por la que los módulos de mayor eficiencia disponibles en el mercado hoy en día emplean células de tipo N. La cuota de mercado del silicio de tipo N es todavía pequeña. A pesar de su mayor eficiencia, su coste es mayor.

Muchas empresas y centros de investigación están trabajando ahora en el desarrollo de células solares de tipo N, intentando reducir su coste de producción y buscando mayores eficiencias.

El efecto boro-oxígeno

La evolución de la tecnología de células solares ha ocupado un espacio importante en el mercado fotovoltaico. La gran mayoría de las células solares son obleas de silicio cristalino (Si) que se encargan de convertir la energía luminosa en energía eléctrica.

Pueden estar fabricados de silicio monocristalino (mono-Si), silicio policristalino (multi-Si) o silicio amorfo (a-Si). El conjunto de estas células fotovoltaicas forma módulos solares. Como sabemos, lo que diferencia entre el silicio P y N es el proceso de dopaje en la fabricación del lingote. El silicio P está dopado con boro y el silicio N está dopado con fósforo.

Durante el proceso de formación del lingote cristalino, el oxígeno penetra en el silicio. Este problema es aproximadamente tres veces más intenso en el silicio monocristalino, fabricado según el método Czocralsky, que en el silicio policristalino.

El gran problema es que el oxígeno presente en el silicio se une al boro para formar centros de recombinación de portadores, que reducen la vida útil de los electrones disponibles para la formación de corriente eléctrica. En otras palabras, la presencia del complejo boro-oxígeno hace que las células cristalinas sean menos eficientes.

Así, la principal causa de la baja eficiencia de las células tipo P, que siempre han sido las favoritas del mercado, es el llamado efecto boro-oxígeno. El silicio tipo N no sufre esto. Por tanto, con él podremos fabricar células más eficientes. La formación del complejo boro-oxígeno ocurre dentro de las primeras horas o semanas de exposición de la célula a la luz.

Esta es la principal causa del conocido efecto LID (degradación inducida por la luz), que reduce la eficiencia de las células fotovoltaicas entre un 2 y un 4%. El silicio tipo N, por el contrario, no sufre este problema.

Dificultades en la fabricación de silicio tipo N

Además de utilizar más energía, como comentábamos al principio del texto, la fabricación de silicio monocristalino tipo N presenta dificultades en relación al proceso de crecimiento del lingote. En la fabricación de lingotes de tipo P, el dopante de boro tiene una distribución de concentración más homogénea.

Esto significa que la cantidad de boro permanece aproximadamente constante a lo largo de todo el lingote y hay poca diferencia en la concentración de un extremo al otro. Hablando en términos sencillos, las células fabricadas a partir de lingotes de tipo P tienen aproximadamente las mismas características independientemente de la parte del lingote de la que se extraen las obleas.

Por el contrario, en el silicio de tipo N la dispersión del dopante de fósforo no es tan homogénea. Esto da como resultado lingotes con una gran diferencia en la concentración de dopantes entre un extremo y el otro. En resumen, solo un extremo del lingote permite obtener celdas de alta eficiencia, mientras que las celdas del otro extremo serán menos eficientes.

Esto conduce a una baja utilización del lingote y, naturalmente, aumenta el costo de producción del silicio monocristalino de tipo N. Otro problema asociado con el silicio N es la dificultad para pasivar la celda. La pasivación es una técnica que se ha utilizado ampliamente en las celdas PERC (contacto trasero de emisor pasivado) modernas.

Básicamente, las células pasivadas son aquellas que tienen una fina capa de algún otro material pegada a la capa de silicio. Esto mejora las propiedades eléctricas y ópticas de la celda, haciéndola más eficiente. A la industria le resulta más fácil pasivar el silicio P que el silicio N, lo que supone un obstáculo más para ampliar la producción y reducir el coste de este tipo de silicio en el mercado.

Conclusión

Se ha hablado mucho de los módulos solares fabricados con células de tipo N. Los fabricantes están utilizando esta célula debido a sus beneficios adicionales, como el potencial de lograr una alta eficiencia.

Debido a que utilizan fósforo en lugar de boro, son inmunes a los defectos de boro-oxígeno que causan una menor eficiencia en las células PA. La célula N es más eficiente, pero su fabricación es más compleja. La celda tipo P siempre ha sido la más utilizada en el mercado, desde los inicios de la popularización de la energía solar fotovoltaica hasta la actualidad.

La mayor preocupación en el mercado, que dificulta la adopción total del silicio N en lugar del silicio P, es el desarrollo de una tecnología de bajo costo para procesar células de tipo N. Varios fabricantes internacionales están involucrados en investigación y desarrollo. reducir el coste y aumentar los resultados.

Referencias

• La aparición del silicio tipo n para la fabricación de células solares, Daniel Macdonald, Universidad Nacional de Australia, Canberra
• Avances en las células solares de silicio cristalino de base tipo n y su aparición en la industria fotovoltaica, Atteq ur Rehman y Soo Hong Lee, Instituto de Investigación de Energía Estratégica Verde, Departamento de Ingeniería Electrónica, Universidad Sejong, Corea
• Células solares tipo N: ventajas, problemas y escenarios actuales, Bandana Singha y Chetan S Solanki, Departamento de Ciencia e Ingeniería Energética, Instituto Indio de Tecnología de Bombay, Mumbai, India
• https://www.cedgreentech.com/article/solar-cell-efficiency-n-type-v-p-type
• https://www.cleanenergyreviews.info/blog/solar-pv-cell-construction