Fraunhofer ISE presenta una técnica de impresión rotativa para la metalización de células solares de heterounión

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Investigadores del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (Fraunhofer ISE) de Alemania han utilizado la impresión indirecta en huecograbado para la metalización de la cara frontal de células solares de heterounión de silicio (SHJ), reduciendo el consumo de plata en tiempos de ciclo de 0,5 segundos por célula y logrando eficiencias de conversión de hasta el 20,7%.

“Una de las principales ventajas de las técnicas de impresión rotativa, como el huecograbado, pero también la serigrafía rotativa y la impresión flexográfica, es la capacidad de reducir considerablemente el tiempo de ciclo por oblea y, por tanto, aumentar el rendimiento por hora en comparación con los métodos de metalización más avanzados”, declaró a pv magazine el director de la investigación, Jörg Schube.

Los investigadores observaron que los resultados de eficiencia eran inferiores en un 1,7% a los de la referencia serigrafiada, pero se reducía el tiempo de ciclo.

El objetivo de la investigación es encontrar mejores técnicas de metalización de células solares de silicio a la luz de la hoja de ruta tecnológica de la industria fotovoltaica, que prevé más células de heterounión de silicio (SHJ) y dispositivos en tándem basados en silicio.

El objetivo también es desarrollar procesos de metalización a baja temperatura que utilicen menos plata, pero que también funcionen a altos niveles de rendimiento. Por ejemplo, los investigadores señalaron que el rendimiento debe pasar de 4.000 obleas por hora y carril a 9.500 obleas por hora y carril, lo que corresponde a tiempos de ciclo de 0,9 segundos y 0,5 segundos por célula, respectivamente.

Según los investigadores, estas limitaciones apuntan a una técnica de metalización basada en tecnologías como la dispensación paralela, la impresión por chorro de tinta, la impresión rotativa o FlexTrail. FlexTrail es una novedosa tecnología de impresión desarrollada por Fraunhofer ISE.

El equipo del Fraunhofer ISE decidió centrarse en una técnica de impresión rotativa conocida como huecograbado indirecto, una tecnología utilizada en la impresión de revistas y catálogos de gran volumen y alta calidad o en la industria del envasado.

El equipo utilizó precursores industriales SHJ para el experimento y serigrafió la parte posterior de los dedos. La impresión indirecta en huecograbado se aplicó a la cara frontal de las muestras utilizando anchos de huecograbado de 50 μm y 80 μm. Además de la anchura del huecograbado, se varió el número de aplicaciones de tinta en el cilindro de transferencia. También se preparó un dispositivo serigráfico de referencia.

A continuación, todas las muestras se recocieron, se cortaron con láser y se hendieron mecánicamente en medias celdas, tras lo cual se realizaron pruebas de IV y electroluminiscencia, impresión en barra colectora y pasos de secado. La caracterización incluyó microscopía confocal, microscopio electrónico de barrido (SEM) y mediciones con sonda de cuatro puntos.

Las muestras fabricadas con el proceso campeón de impresión indirecta en huecograbado tenían una anchura media de 65 μm y una altura media de los dedos de 5 μm. Cuando se utilizaron para la metalización frontal, las células solares SHJ presentaron eficiencias de conversión de hasta el 20,7%, lo que supone un 1,7% [absoluto] menos que las células solares serigrafiadas con la cara frontal de referencia, pero el tiempo de ciclo se redujo, subrayó el equipo.

El equipo señaló que, según sus conocimientos, “éstas son las células solares SHJ de mayor eficiencia con metalización impresa en huecograbado de las que se tiene noticia hasta la fecha”. Añadió que, incluso sin optimización, el proceso de impresión indirecta en huecograbado “puede satisfacer la demanda de aumentar el rendimiento” y reducir potencialmente los costes de fabricación de células fotovoltaicas.

Schube dijo que el equipo se sorprendió de lo fácil que era conseguir una altura “significativa” de los contactos metálicos impresos nada más empezar a utilizar la impresión en huecograbado indirecto. “El uso de una plataforma de producción adecuada permite tiempos de ciclo de 0,5 segundos por célula, e incluso inferiores. Este potencial de alto rendimiento, junto con la durabilidad de las camisas de huecograbado, puede suponer una gran ventaja de esta técnica de impresión sobre los esquemas de metalización más avanzados”, explicó.

En simulaciones posteriores de células solares, los investigadores descubrieron que, sin una mayor optimización del proceso, la impresión indirecta en huecograbado puede aplicarse como metalización posterior para células solares SHJ con sólo una pérdida del 0,1% en la eficiencia de conversión en comparación con la serigrafía.

Sin embargo, los investigadores señalaron que esta variante de impresión rotativa puede mejorarse. En concreto, mencionaron que la resistencia de los dedos y la resistividad de contacto en la interfaz contacto/óxido de indio y estaño podrían reducirse “adaptando la formulación de la tinta y las condiciones de recocido”. Además, señalaron que una mejor alineación de la máquina podría mejorar la homogeneidad de los dedos de contacto, y un diseño de huecograbado optimizado podría reducir la anchura de los dedos, manteniendo su altura en 5 μm o más.

El equipo afirmó que, aunque experimentaron con dispositivos SHJ, los resultados pueden transferirse a otros conceptos de célula de alta eficiencia basados en obleas que exigen metalización a baja temperatura, como los dispositivos en tándem de silicio perovskita.

El equipo de investigación estaba formado por científicos del Centro Continental de Tecnologías de Impresión Funcional (CFPT), una unidad de I+D del proveedor de la industria automovilística Continental, y el fabricante de huecograbado Sächsische Walzengravur (SWG).

Su trabajo se describe en “High-throughput indirect gravure printing applied to low-temperature metallization of silicon-based high-efficiency solar cells” (Impresión por huecograbado indirecto de alto rendimiento aplicada a la metalización a baja temperatura de células solares de alta eficiencia basadas en silicio), publicado en Energy Technology. “Los resultados publicados son muy alentadores para que todo el equipo siga desarrollando este innovador método de metalización. Los próximos pasos son reducir la anchura de los contactos impresos y optimizar el diseño de la disposición de la rejilla metálica”, afirma Schube de cara al futuro.

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