Desarrollan una célula solar de silicio de 28 µm con un 20% de eficiencia y un 0% de rotura

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Un equipo de investigación de las universidades chinas Shanghai Jiao Tong y Sun Yat-sen ha demostrado que la aplicación de un novedoso anillo reforzado para obleas de silicio delgadas (TSRR, por sus iniciales en inglés) en el borde de las obleas delgadas hace que el material fotovoltaico sea mucho menos propenso a la rotura. El TSRR se demostró en obleas de silicio de 4,7 μm de grosor, células solares de 28 µm de grosor y obleas más grandes de 60 μm de grosor.

“Nuestro equipo desarrolló una nueva técnica compatible con los procesos de fabricación industrial para permitir el uso de obleas de silicio cristalino ultrafinas de menos de 60 μm, y que pueden llegar a ser tan finas como 20 μm. La tecnología hace que las células sean radicalmente menos quebradizas”, declaró el investigador Taojian Wu a pv magazine.

“Nos sorprendió que se pudiera obtener una oblea de 4 pulgadas [100 mm] con un grosor inferior a 5 µm mediante un sencillo método de anillo reforzado, y que pudiéramos preparar fácilmente células solares de silicio de 28 µm con una eficiencia superior al 20% mediante este método”, dijo Wu, añadiendo que las sutiles mejoras en la “estructura del silicio delgado” han dado lugar a estos “grandes avances”.

En la investigación, el equipo preparó primero una oblea independiente de 4,7 μm de grosor y 4 pulgadas (100 mm) mediante TSRR. A continuación, fabricó células de silicio sin dopantes de 28 μm con contactos posteriores interdigitados (IBC) utilizando TSRR, lo que dio como resultado una tasa de rotura de alrededor del 0%. La eficiencia de la célula alcanzada fue del 20,33%, certificada en el 20,05%.

Se trata de la mayor eficiencia registrada en células solares de silicio con un grosor inferior a 35 μm, según más de una década de datos de rendimiento en la literatura recopilados por el equipo.

Los investigadores señalaron que el método TSRR sólo requiere tres pasos de fabricación más que el proceso convencional de producción en masa de células fotovoltaicas. Primero se deposita una capa de nitruro de silicio (SiNx) de 70 nm en ambas caras de obleas de silicio de grosor convencional mediante deposición química en fase vapor potenciada por plasma (PECVD) o deposición química en fase vapor a baja presión (LPCVD), después se retira el SiNx de la región central de una de las caras utilizando un troquel, láser o fotolitografía, para hacer una abertura, y a continuación se realiza un paso de grabado con solución alcalina hasta alcanzar el grosor deseado, según el equipo.

La capa de SiNx proporciona protección y permite que el silicio de la región del borde de la oblea mantenga su grosor original, explica el equipo de investigación. “La parte difícil es el proceso de depositar una película protectora de SiNx de alta calidad, que tiene que soportar un grabado prolongado con una solución alcalina”, explica Wu. “La parte fácil es el proceso de fabricación de células solares de silicio delgadas, porque podemos procesar obleas de silicio delgadas con anillos reforzados de la misma forma que procesamos las obleas de silicio normales”.

El equipo afirmó que la estructura TSRR es aplicable a “cualquier tecnología de silicio”, como la célula emisora y posterior pasivada (PERC), la heterounión de silicio (SHJ), el contacto pasivante de óxido de túnel (TOPCon), así como las tecnologías de célula xBC de contacto pasivante sin dopantes.

Para comprender mejor el rendimiento optoeléctrico de las células solares experimentales, el equipo realizó una simulación numérica TCAD de células solares de contactos frontales y posteriores (FBC). Según el grupo de investigación, los experimentos y simulaciones de las propiedades mecánicas que compararon el TSRR y las estructuras delgadas de silicio convencionales confirmaron el papel de apoyo del TSRR.

El equipo también preparó obleas TSRR texturizadas de 50 μm a 60 μm, de 182 mm ×182 mm, y realizó procesos de fabricación clave para confirmar la compatibilidad industrial del método TSRR. “Hemos recibido comentarios de nuestra empresa asociada en el sentido de que la tasa de rotura durante la fabricación de células solares de 60 μm-SHJ se ha reducido considerablemente”, afirma Wu.

La investigación se detalla en “Free-standing ultrathin silicon wafers and solar cells through edges reinforcement” (Obleas de silicio ultrafinas independientes y células solares mediante refuerzo de bordes), publicado por nature communications.

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