Hoy en día, en el panorama de la tecnología fotovoltaica, las células solares PERC son las dominantes del mercado en la actualidad.
Recientemente, se ha publicado un extenso informe sobre lo que ofrece el mercado mundial en paneles fotovoltaicos de silicio, el 95 % del mercado en la actualidad, que puede consultarse completo en este enlace. Dado que contiene muchísima información, voy a ir desgranando en sucesivos post las cuestiones más relevantes y actualizadas que se pueden encontrar en dicho informe. En casi todos los textos que publicaré en los próximos meses, entraré en la descripción de ciertos conceptos que están cobrando enorme importancia en el mercado actual. Conceptos como células IBC, paneles Half Cut, etc., y que en el mencionado informe no se detallan.
Las células más avanzadas en la actualidad
En cualquier célula solar de silicio (o de cualquier otro semiconductor), el proceso de generación de corriente es común a todas ellas: la luz incide sobre la superficie expuesta al Sol, parte de la cual se refleja. La que se transmite entra en el silicio y en algún punto de su interior se absorbe, creando un par de portadores de carga electrón-hueco (no entraré en detalles de qué es un hueco). Una vez generados, esos portadores se mueven en el interior del silicio hasta que son recolectados en los contactos frontal y trasero de la células, salvo en un tipo particular de células, denominadas IBC (Interdigitated Back Contact). En estas células IBC se recolectan ambos en los contactos traseros –lo veremos en un próximo post–, dando lugar a la corriente (I).
A su vez, los portadores fotogenerados provocan la aparición de una tensión entre los terminales de la célula (V), dando lugar al efecto fotovoltaico. De esta forma, se produce generación de potencia (P = V × I), y por lo tanto de energía eléctrica (E = P × t). Varios factores hacen que este proceso no tenga lugar de manera óptima:
- 1.- Las pérdidas ópticas por reflexión de la radiación incidente en la cara frontal de la célula.
- 2.- La no absorción de toda la luz que penetra en la célula (el silicio es un semiconductor de gap indirecto y eso hace que no absorba eficientemente la radiación).
- 3.- Las pérdidas de algunos de los pares electrón-hueco fotogenerados cuando llegan a los contactos frontal y trasero. Los contactos son uniones entre el semiconductor y un metal (generalmente una aleación de Al-Ag). En esa unión, la probabilidad de que se pierdan esos portadores de carga antes de salir al circuito exterior es muy alta.
Todas las tecnologías fotovoltaicas actuales tratan de minimizar estos tres factores (en especial el primero y el tercero, el segundo es inevitable dada la naturaleza del gap del silicio) para aumentar la eficiencia de la célula. El primero de los factores se reduce drásticamente mediante la combinación de una capa antireflectante de SiNx:H y un texturizado de la superficie frontal del silicio. Este texturizado le confiere una estructura piramidal que permite atrapar mejor la radiación incidente. Esta estrategia es común a todas las tecnologías actuales:
Las principales diferencias entra las diversas tecnologías están en cómo reducir las pérdidas en el contacto frontal y sobre todo en el trasero. Veremos cómo lo hacen las células solares en los paneles comerciales más eficientes del mercado: células PERC (Passivated Emitter and Rear Contact, emisor y contacto trasero pasivados), TOPcon (Tunnel Oxide Passivated contact), HJT (Hetero Junction Technology) e IBC (Interdigitated Back Contact)
En este post analizaré las peculiaridades de las células PERC, las más habituales en los paneles comerciales en la actualidad; en los siguientes analizaré los otros tipos de células.
Células solares PERC
Es la tecnología que se ha hecho omnipresente en la fabricación de paneles solares. La idea se la debemos a M. Green de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW, Australia), que diseñó el concepto en las década de 1980. A su vez, es la más empleada en paneles que utilizan células monocristalinas cortadas por la mitad (que por su importancia actual describiré con detalle en otro post) y de varias barras colectoras en el contacto frontal (también veremos qué es eso más adelante).
En esta célula, la estructura de capas de pasivación de la superficie trasera está muy optimizada. Se utiliza para mejorar la eficiencia mediante la captura de tantos fotones adicionales como sea posible sin cambiar fundamentalmente el concepto tradicional del dispositivo. Habitualmente, el fabricante parte de células de silicio monocristalino estándar y les añade una capa de pasivación en la parte posterior, normalmente SiO2 o una bicapa con otro aislante. La estructura se muestra en la imagen.
A continuación, en la zona del contacto trasero se practican unos pequeños orificios con productos químicos o láser para atravesar la capa de pasivación en zonas puntuales como las que se muestran en la figura anterior, lo que permite que el metal del contacto trasero (Al en este caso) haga contacto con el silicio. De esta forma, se consigue que el contacto con el silicio se lleve a cabo en zonas muy localizadas y de área muy pequeña, logrando que casi toda la superficie trasera esté pasivada y, por lo tanto, que se reduzca de manera significativa el número de defectos en el contacto trasero.
A su vez, la capa de aislante actúa como reflector de la luz que llega sin absorberse al contacto trasero, lo que hace que la luz se refleje hacia el silicio de nuevo, posibilitando que se absorba en ese viaje de regreso, ya que cualquier luz que haya atravesado el silicio hasta la parte posterior sin ser absorbida tiene otra oportunidad de generar corriente.
En consecuencia, el resultado de ambos efectos es, por una parte, una reducción apreciable de las pérdidas por recombinación en el contacto trasero y, por otra, una disminución significativa de las pérdidas ópticas. Todo esto permite incrementar la eficiencia de las células hasta valores que están en el margen 22-25 %.
En las siguientes entradas del blog describiré las otras tecnologías de células utilizadas en los paneles en la actualidad: TOPcon, HJT e IBC.
