El emparejamiento de una capa de silicio rica en oxígeno entre una célula solar y su contacto metálico ha permitido a los investigadores en Europa batir récords de rendimiento en cuanto a la eficiencia con la que las células solares de silicio convierten la luz solar en electricidad. Pero el desafío ahora es cómo hacer que estos llamados contactos pasivantes sean adecuados para la producción en masa.

"Actualmente hay mucho entusiasmo por la pasivación de contactos entre la comunidad de células solares, "dijo el Dr. Byungsul Min en el Instituto de Investigación de Energía Solar en Hamelin (ISFH), Alemania. Este año, la tecnología permitió a su laboratorio establecer un nuevo récord de eficiencia del 26,1% para el tipo de células solares que domina el mercado fotovoltaico. Los paneles solares comerciales funcionan actualmente con una eficiencia de alrededor del 20%.

Los contactos pasivantes consisten en dos capas delgadas de silicio oxidado y cristalizado intercaladas entre una celda solar y su contacto metálico. Hablando ante un salón abarrotado este septiembre en la Conferencia Europea de Energía Solar Fotovoltaica en Bruselas, Bélgica, El Dr. Min dijo que las capas funcionan curando los enlaces atómicos rotos en la superficie del silicio y reduciendo el riesgo de que las cargas eléctricas queden atrapadas al salir de la célula solar.

El diseño fue desarrollado en 2013 por ISFH y el Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar ISE en Friburgo, Alemania. En años recientes, ha impulsado la eficiencia de conversión de energía de la energía fotovoltaica de silicio por encima del 25%, un techo que había limitado la eficiencia que los investigadores podían lograr en el laboratorio durante más de una década.

Fabricación masiva

Todavía, El Dr. Min dice que hasta ahora pocos fabricantes han adoptado contactos pasivantes en la industria. Como parte de un proyecto llamado DISC, ahora está coordinando el trabajo con institutos de investigación y fabricantes de equipos de toda Europa para optimizar su diseño para la fabricación en masa.

Hasta ahora, la fabricación de células solares récord con contactos pasivantes ha requerido materiales costosos y técnicas de laboratorio complejas que, según el Dr. Min, no pueden adoptarse en las líneas de montaje de fábrica. Sin embargo, al deshacerse de estos enfoques sofisticados y sustituirlos por herramientas que ya son comunes en la industria de las células solares, el consorcio DISC espera reducir los costos de fabricación de la tecnología.

ISFH ha reemplazado notablemente una capa que contiene indio, cara y altamente conductora, que se deposita en la superficie de la celda para recoger mejor las cargas eléctricas fuera del contacto de pasivación. Al ajustar las condiciones de presión y temperatura durante la producción, Dr. Min ahora puede formar una capa que contiene zinc que presenta propiedades físicas comparables mientras usa abundantes materiales.

El proveedor holandés de equipos Meco está intercambiando pasos complejos de litografía con técnicas de enchapado que pueden metalizar los contactos eléctricos de las células solares de contacto pasivante en producciones lo suficientemente altas para las líneas de montaje de fábrica.

Durante el año pasado, Las muestras de DISC han viajado por Francia, Alemania, Suiza y los Países Bajos, como socios, desempeñan su papel en una línea de suministro internacional. Cada laboratorio agrega una capa de silicio u otros materiales en los que se especializa, Construyendo gradualmente la pila de semiconductores en una celda solar en funcionamiento.

"Este agosto, completamos nuestras primeras células solares de tamaño industrial, ", dijo el Dr. Min." Ya han alcanzado eficiencias de conversión de energía por encima del 21% ". Esto se encuentra dentro del rango de células solares en el mercado actual.

Durante el próximo año, Dr. Min espera que el ajuste fino de las capas en estos dispositivos de fábrica ayude a mejorar su rendimiento por encima del de la competencia. En una industria donde una diferencia de solo la mitad de un porcentaje puede hacer o deshacer a las empresas, una tecnología con un potencial probado de más del 25% de eficiencia en el laboratorio ofrece perspectivas atractivas para los fabricantes.

"Tenemos que ir hacia una mayor eficiencia de las células solares, "acordó el Dr. Martin Hermle, uno de los pioneros en pasivación de contactos en Fraunhofer ISE. Su grupo de investigación ahora está desarrollando métodos de deposición industrial para las células solares producidas en DISC, y desarrollar formas de aumentar aún más su eficiencia de conversión de energía en otro proyecto llamado Nano-Tandem.

"El costo de los paneles solares depende en gran medida de su superficie. Si puede fabricar células con un 30% de eficiencia en lugar de un 20% o un 15%, eso realmente ayuda a reducir el costo total de la energía solar ".

33% de eficiencia

A principios de este año, Fraunhofer ISE produjo una célula solar que alcanzó una asombrosa eficiencia del 33%. Los investigadores apilaron una celda solar de silicio que incorporaba contactos pasivantes con dos celdas solares adicionales hechas de materiales más exóticos. basado en elementos del tercer y quinto grupo de la tabla periódica.

"Estas celdas superiores son buenas para absorber los tonos azules de la luz, pero están hechos de elementos comparativamente raros, como el galio o el indio, que también son más lentas de ensamblar que las células solares de silicio convencionales, "dijo el Dr. Hermle." Si quiere competir en el mercado masivo, hay que reducir el costo de la deposición del material en aproximadamente dos órdenes de magnitud ".

Una solución que está explorando Nano-Tandem es utilizar menos. Fraunhofer ISE ha enviado células solares de silicio con contactos pasivantes a IBM Research Zürich, donde los socios del proyecto colocan células solares encima de ellos no como capas sólidas, pero como alfombras de cables de apenas 1000 átomos de ancho. La startup Sol Voltaics y la Universidad de Lund en Suecia están desarrollando una forma potencialmente más barata de fabricar los nanocables, ensamblándolos a partir de moléculas de gas mientras vuelan a través de un horno de tubo.

El coordinador de Nano-Tandem, el profesor Lars Samuelson de la Universidad de Lund, dice que las materias primas utilizadas son caras, pero que los efectos fotónicos en ellos podrían cambiar su economía. El dijo que, reunidos sabiamente, En principio, los fabricantes podrían utilizar un 90% menos de material sin mucho impacto en la eficiencia o la absorción de luz de sus células solares.

Este es el tipo de ventaja innovadora que el Dr. Hermle describe como crucial para mantener a los institutos de investigación europeos a la cabeza de la tecnología de células solares. A medida que el mercado de las células solares se dispara a cifras anuales de 11 dígitos, La competencia asiática está obligando a los fabricantes europeos a cerrar cada vez más.

El Dr. Hermle dice que los contactos pasivos ofrecen un ejemplo de cómo la industria europea puede seguir siendo relevante frente a la competencia global. "Esta es una tecnología que realmente vino de Europa al mercado de las células solares, " él dijo.