Aurinka y científicos de España y Turquía proyectan una célula solar de UMG con un 22% de eficiencia

El silicio purificado por vía metalúrgica mediante el proceso de FerroSolar ha demostrado que puede alcanzar, en una línea de producción convencional, hasta un 20,76% de eficiencia de la célula solar con células multicristalinas fabricadas al 100% con silicio UMG a la vez que reduce de forma importante el coste del proceso de purificación, y también el impacto medioambiental de la fabricación del módulo, cuya huella de carbono puede ser hasta un 25% inferior.

No obstante, el UMG tiene que demostrar que es capaz de seguir el “objetivo móvil” de eficiencia de una célula solar convencional, que aumenta continuamente. En los últimos años, este incremento es sostenido, en torno al 0,4-0,5% anual. Una vez agotadas las vías de mejora de las células convencionales, cubiertas totalmente por aluminio en la cara posterior, el incremento se ha mantenido gracias al salto a la tecnología PERC, en la que la capa continua posterior de aluminio se sustituye por una o varias capas dieléctricas, perforándola localmente para hacer el contacto.

Los primeros resultados, obtenidos hace un par de años en células PERC sobre silicio UMG han sido muy prometedores, con eficiencias medias del 20.1±0.6%, frente a un 20.41% para multicristalino convencional (Forniés et al, Energies 2019, 12, 1495; doi:10.3390/en12081495).

TopCon tipo p con UMG: eficiencia de hasta el 22%

Sobre estos resultados se construye Cheer-Up, un proyecto que forma parte de la red europea de I+D en el ámbito de la energía solar Solar-Eranet, y que coordina el Instituto de Energía Solar, en el que participa también Aurinka PV, el Centro de Tecnología Nanofotónica de Valencia y el centro turco de investigación GÜNAM.

La propuesta es que, con ligeras variaciones en alguno de los pasos del proceso industrial de la tecnología PERC, adaptándolo a las características del UMG, se pueden alcanzar eficiencias del 21%, y si además se incorporan algunas tecnologías avanzadas de procesado, el material es capaz de proporcionar una eficiencia del 22%. Por ejemplo, una de esas tecnologías avanzadas será la pasivación de los contactos con un óxido ultradelgado y polisilicio dopado (tecnología TOPCon).

La perspectiva es demostrar que con el material UMG se pueden alcanzar eficiencias similares a las del material convencional, a menor coste y menor impacto ambiental, y que tiene potencial también para fabricar con él las estructuras de células más avanzadas.

“La aproximación es la de hacer un dispositivo TOPCon sobre oblea tipo p, en la que la estructura TOPCon posterior se haría con polisilicio dopado con boro, y para la parte frontal estamos valorando la opción de tener un emisor frontal de fósforo o una estructura selectiva. Este trabajo se hará en el próximo año en colaboración con el Fraunhofer ISE, todavía es prematuro valorar los posibles efectos de degradación”, explica Carlos del Cañizo, director del Instituto de Energía Solar (ISE), a pv magazine.

El proyecto tiene una duración de tres años, de los que han transcurrido quince meses “en los que hemos conseguido obtener resultados reseñables”, añade Del Cañizo.

Reducir el LeTID

Los pasos más importantes para alcanzar estos objetivos pasan por la integración de nanotexturado mediante ataque por plasma (lo que se conoce como black silicon por alcanzar una reflectividad tan baja que el sustrato parece negro) y por el diseño de los pasos térmicos del proceso para maximizar el efecto de extracción de impurezas y mejorar la calidad del sustrato, hasta hacerla comparable con la del sustrato convencional con polisilicio.

“A partir de la caracterización del material hemos jugado con las condiciones del paso de difusión de fósforo, y con las de depósito de las capas dieléctricas en la parte posterior de la célula, y hemos observado mejoras en la calidad del material, medidas en términos de tiempo de vida, que superan los 300 microsegundos, y que en algunos casos han llegado a 600 microsegundos. Para hacerse una idea del significado de estos valores, hay que tener en cuenta que las simulaciones indican que con tiempos de vida de 150 microsegundos en el punto de máxima potencia alcanzaríamos ya el 21% de eficiencia en célula”, describe el investigador.

El equipo de investigación estudia también las condiciones de proceso para reducir drásticamente la degradación que algunas tecnologías de célula experimentan con la iluminación y la temperatura cuando están en operación, fenómeno que se puede regular controlando la cantidad de hidrógeno que la capa dieléctrica posterior difunde hacia el sustrato.

En concreto, se estudia el LeTID (Light and elevated Temperature Induced Degradation), propio del PERC, cuyo alcance depende del material de partida, “y lo primero que estamos haciendo en el proyecto es calibrar cuánto de importante es para nuestro UMG. En estos momentos estamos introduciendo cambios en el proceso de fabricación (hidrógeno en el dieléctrico, temperaturas de firing, polarización en directa, etc.) para reducirlo”, explican.