Tecnologías de células fotovoltaicas con pasivación.

El silicio cristalino (c-Si), en formas poli o multicristalinas (también conocido como policristalino) domina el mercado de células fotovoltaicas, con más del 90% del cuota de mercado en comparación con otras tecnologías, incluidas películas delgadas y otros materiales semiconductores.

Gran parte del coste de fabricación de células y módulos fotovoltaicos cristalinos reside en el proceso de obtención obleas de silicio.

Costos asociados a la cantidad de materias primas y al uso de energía en la fabricación de obleas Son los grandes villanos de la industria del silicio cristalino.

Recientemente se han producido avances en la fabricación de obleas con la introducción del método de corte con hilo diamantado. Este método permite obtener un 50% más obleas que los métodos tradicionales, con la misma cantidad de materia prima.

Esto significa que obleas Se pueden obtener materiales más delgados, normalmente con espesores inferiores a 200 micrómetros (1 micrómetro equivale a 1 milésima de milímetro). La consecuencia inmediata de esto es la reducción de los precios de las células y módulos fotovoltaicos para el mercado de consumo.

Pero no todo es perfecto. La reducción del espesor de las células de silicio reduce la eficiencia de conversión, a medida que aumentan las tasas de recombinación de electrones y huecos. ¿Por qué es esto un problema?

Para entender esto debemos recordar el principio de funcionamiento de las células fotovoltaicas. Cuando la luz (o la radiación solar) incide sobre el silicio, transfiere energía a los electrones ubicados en la banda de valencia (capa más externa del átomo).

Los electrones excitados con más energía saltan de la banda de valencia del silicio a la banda de conducción. Es decir, los electrones se liberan de los átomos y ganan libertad para moverse, pudiendo participar en la formación de la corriente eléctrica.

No debemos olvidar que los electrones que saltan a la banda de conducción dejan espacios vacíos (correspondientes a la ausencia de electrones), que conocemos en la literatura como huecos.

La generación de pares electrón-hueco por la incidencia de la radiación solar sobre la célula de silicio es uno de los fenómenos clave del efecto fotovoltaico.

Cuanta más luz, más electrones libres y más huecos hay en el silicio. Así, cuanto mayor sea la intensidad de la luz incidente, más corriente eléctrica podrá proporcionar una célula fotovoltaica.

Esto sería perfecto si no existiera el fenómeno de la recombinación de portadores. Los electrones excitados que ganan energía y saltan del átomo, después de un tiempo, naturalmente regresan a su estado inicial y se recombinan con los huecos, reduciendo la capacidad de la célula para suministrar corriente eléctrica.

La recombinación de portadores es un obstáculo para aumentar la eficiencia de las células fotovoltaicas. Las tasas de recombinación más altas reducen la disponibilidad de electrones y, en consecuencia, la corriente eléctrica que la célula puede proporcionar, limitando la energía producida; en otras palabras, se reduce la eficiencia de la célula.

Normalmente, la recombinación no supone un problema tan grande en las células de silicio convencionales. La recombinación de portadores es más baja en el centro de la célula y más alta en las superficies.

En los extremos de las células existen impurezas y defectos en las estructuras cristalinas que favorecen la recombinación de portadores, lo que reduce el número de electrones (y huecos) disponibles para la generación de corrientes eléctricas.

Las impurezas y defectos en las estructuras funcionan como trampas de electrones o centros de recombinación que facilitan la transición de los electrones de la banda de conducción a la banda de valencia, reduciendo la vida útil de los portadores (aumentando la velocidad de recombinación).

La velocidad de recombinación y la eficiencia de las células fotovoltaicas se pueden controlar ajustando el espesor de la oblea. Las células más gruesas impiden que los electrones tengan la oportunidad de alcanzar las superficies, donde la recombinación es más fácil.

Las células más delgadas proporcionan mayores tasas de recombinación, ya que los electrones llegan a los extremos de las células más fácilmente.

Las células de silicio monocristalino (producidas por el proceso de Czochralski) o las células policristalinas suelen tener espesores de alrededor de 300 a 400 micrómetros, lo que reduce la aparición de recombinación de electrones y huecos en las superficies, ya que cuanto mayor es el espesor de la celda, menor es la cantidad. de portadores que pueden llegar a las superficies.

Sin embargo, cuando producimos células más delgadas (con espesores de 100 a 200 micrómetros) las tasas de recombinación son mayores y esto provoca reducciones inaceptables en la eficiencia, lo que en principio haría que el uso de obleas muy bien.

Pasivación de silicio

El avance de la tecnología de fabricación. obleas Los materiales más finos deben ir acompañados de técnicas de pasivación con silicio. Pasivación es el nombre que le damos a un proceso que consiste en añadir capas de otros materiales a las superficies celulares.

Son capas muy finas, con espesores de 7 a 10 nanómetros (1 nanómetro equivale a 1 milésima de micrómetro o 1 millonésima de milímetro).

La pasivación del silicio se puede realizar mediante diferentes procesos y con diferentes materiales. El resultado de la pasivación es la reducción de la recombinación de electrones en los extremos del silicio, lo que proporciona aumentos significativos de la eficiencia con respecto a la eficiencia del silicio no pasivado.

Básicamente, la pasivación funciona mediante dos fenómenos:

1. Reducción del efecto de defectos en estructuras y regularización de superficies o;
2. Creación de campos eléctricos que repelen los electrones (y también los huecos) de las superficies celulares, dificultando la recombinación.

La primera técnica se llama pasivación química y la segunda pasivación realizada en campo (FEP – Pasivación por efecto de campo). Las técnicas de pasivación funcionan a través de uno de estos dos fenómenos.

El objetivo de todas las técnicas de pasivación es reducir la tasa de recombinación de portadores en superficies, conocida en la literatura como SRV (Velocidad de recombinación superficial).

Además de aumentar la eficiencia celular al reducir la velocidad de recombinación, las técnicas de pasivación reducen el efecto PID (Posible degradación inducida), en gran parte responsable de la degradación de las células con el tiempo. El efecto PID no se trata en este artículo.

Mientras que la pasivación permite el uso de obleas Más fino, la pasivación también puede considerarse una de las técnicas utilizadas por los fabricantes para conseguir eficiencias cada vez mayores, junto con otras técnicas existentes.

Las principales tecnologías de pasivación existentes y que ya empiezan a ser utilizadas a gran escala por los fabricantes de células fotovoltaicas son las conocidas como HJT, GOLPE e PERC.

La industria aún no ha decidido qué técnica preferirá y por ahora los fabricantes están divididos. Hay una tendencia hacia la tecnología PERC, según algunas encuestas realizadas a finales de 2017, aunque algunos fabricantes sostienen que la tecnología HIT requiere menos energía y menos pasos de fabricación que la tecnología PERC.

La siguiente figura muestra una proyección de la cuotas de mercado de las principales tecnologías cristalinas para 2026, considerando el ritmo actual del mercado.

Células comerciales con pasivación.

Tecnologías HIT y HJT

HJT y HIT son nombres diferentes para lo mismo. La técnica HIT fue desarrollada hace unos 20 años por la empresa japonesa Sanyo.

La expiración de la patente en 2010 abrió una ventana de oportunidad para que otros fabricantes centraran su atención en la técnica. HIT significa Tecnología de capa intrínseca de heterounión y sigue siendo una marca registrada de Panasonic (que adquirió Sanyo), aunque la patente ya ha caído.

En términos generales, la industria se refiere a la técnica como HJT (Tecnología HeteroJunction). Ya se ha demostrado que es posible obtener células fotovoltaicas HIT con eficiencias superiores al 25% a escala de laboratorio.

A escala comercial, con HIT es posible fabricar módulos de 60 celdas con potencias cercanas a los 310 W. A modo de comparación, con la tecnología convencional (silicio no pasivado de 300 a 400 micrómetros) los módulos de 60 celdas no superan los 270 W. barrera.

Incluso con la reducción del espesor de la celda, la técnica HIT aumenta la eficiencia del módulo hasta en un 15%.

tecnología PERC

Esta tecnología es un pariente no muy lejano de la tecnología HIT. El significado de las siglas PERC varía según la fuente consultada. Los autores se refieren a él como Célula trasera del emisor pasivado, Contacto trasero del emisor pasivado ou Emisor pasivado y celda trasera.

Todas estas denominaciones tienen más o menos el mismo significado. Independientemente del nombre utilizado, intentemos entender cómo funciona.

Al igual que HIT, la tecnología PERC representa un avance importante más allá de las células cristalinas tradicionales. Al igual que la tecnología HIT, la tecnología PERC no es nueva: se desarrolló hace más de 30 años en la Universidad de Gales del Sur, en Australia, pero recién ahora ha comenzado a utilizarse comercialmente.

Durante mucho tiempo, los fabricantes estuvieron centrados en mejorar los procesos de fabricación de las células cristalinas tradicionales y las tecnologías PERC y HIT, por una razón u otra, quedaron en el frigorífico.

El reciente interés en la técnica PERC estuvo motivado en gran medida por la agresiva competencia entre los fabricantes de células y módulos. Los fabricantes intentan continuamente mejorar sus productos, utilizando todos los dispositivos y tecnologías posibles para lograr mayores eficiencias.

Además de las tecnologías de pasivación que cubrimos en este artículo, existen varias técnicas que se pueden combinar y permiten aumentar la eficiencia de los módulos fotovoltaicos; cubriremos estas técnicas en otra publicación.