Un grupo de investigación dirigido por la Universidad Oceánica de Jiangsu, en China, ha demostrado un proceso de texturización de la superficie en un solo paso que, según se informa, puede aumentar en un 1 % la eficiencia absoluta de las células solares de silicio de contacto pasivado con óxido túnel (TOPCon). El rendimiento a nivel de célula se validó en pruebas de laboratorio y al aire libre.
«Este estudio presenta un método novedoso y rápido de un solo paso para fabricar pirámides submicrométricas de silicio (SiSMPpor sus iniciales en inglés) densas con un tamaño medio de base de 0,68-0,76 μm mediante la incorporación de aditivos de óxido de indio y estaño en una solución alcalina de texturización convencional», explicó a pv magazine el primer autor de la investigación, Sihua Zhong.
Los investigadores estudiaron el texturizado de la superficie de las SiSMP como una forma de mejorar las micropirámides de silicio (SiMP) que se utilizan actualmente en las células solares de silicio cristalino industriales. El estudio describe, en particular, un enfoque que «simplifica significativamente» el proceso de fabricación de las SiSMP en comparación con las técnicas existentes de múltiples pasos o basadas en litografía, según Zhong. También investiga las películas funcionales óptimas para su uso con las SiSMP con el fin de maximizar las ganancias ópticas de las células solares.
«Este novedoso proceso de texturización en un solo paso aumenta la eficiencia de las células solares en un 1 % absoluto gracias a la antirreflexión de banda ancha y a una menor resistencia eléctrica», afirmó Zhong.
El estudio combinó experimentación y simulación. En los experimentos, el equipo utilizó obleas de silicio Czochralski (CZ Si) de tipo n pseudo-cuadradas, de 110 μm de espesor y 182 mm × 182 mm. Se fabricaron dispositivos TOPCon y de heterounión de silicio (HJT) con texturización SiSMP o SiMP convencional, y con películas de nitruro de silicio (SiNx) u óxido de indio y estaño (ITO) para comparar.
Las pruebas eléctricas al aire libre se llevaron a cabo en un solo día de abril en una instalación orientada al sur con una inclinación de 34°, que coincidía con la latitud del lugar.
Los resultados mostraron «un mayor rendimiento energético para los dispositivos texturizados con SiSMP» tanto bajo la luz solar directa como en condiciones de sombra. «La capacidad antirreflectante de la textura piramidal submicrométrica resultante es mucho menos sensible al ángulo de incidencia que la de sus homólogos micropirámidales, lo que se traduce en un aumento del 6,8 % en la producción diaria de energía en las pruebas al aire libre», afirmó Zhong.
También se observaron mejoras en el rendimiento a la sombra. «Curiosamente, los dispositivos modificados muestran un rendimiento energético un 12 % superior al de sus homólogos convencionales con textura de micropirámides en condiciones de sombra», añadió Zhong.
El rendimiento óptico de los dispositivos SiSMP y SiMP se modeló utilizando cálculos de dominio temporal de diferencias finitas (FDTD), junto con otras simulaciones. El equipo descubrió que las estructuras SiSMP diseñadas mostraban «fuertes resonancias de dispersión Mie» y una reflectancia menor que las texturas SiMP en un amplio rango de longitudes de onda.
El análisis atribuyó las mejoras a la reducción de las pérdidas ópticas, que aumentaron la densidad de corriente de cortocircuito en 0,7 mA/cm², y a la mejora de la recolección de portadores gracias al aumento de las vías de corriente en la interfaz plata-silicio, lo que aumentó el factor de llenado en un 2,2 % absoluto.
Los dispositivos SiSMP TOPCon de tamaño completo alcanzaron una eficiencia de conversión de energía (PCE) del 25,4 %, lo que representa una ganancia de eficiencia absoluta del 1 % con respecto a sus homólogos con textura SiMP. Las celdas HJT no mostraron los mismos beneficios de banda ancha en los resultados de EQE, señalaron los investigadores, atribuyendo esto a la interferencia de las capas de recubrimiento de silicio amorfo dopado (a-Si:H).
Los investigadores hicieron hincapié en que estos resultados se limitan actualmente al nivel de las células solares, y destacaron la necesidad de realizar más pruebas al aire libre a nivel de módulos para confirmar las ganancias prácticas de rendimiento.
El estudio se detalla en «Surface texturing for advanced light management in crystalline silicon solar cells» (Texturización de superficies para una gestión avanzada de la luz en células solares de silicio cristalino), publicado en Renewable Energy. Otros grupos que participaron en el estudio fueron JA Solar y la Universidad Jiao Tong.
La investigación de tecnologías de células solares de silicio cristalino de alta eficiencia y bajo coste es el objetivo actual del grupo. «Nuestros proyectos actuales incluyen la optimización del proceso de texturización de superficies submicrométricas mediante la modificación de los aditivos utilizados y la eliminación del isopropanol, por ejemplo; el desarrollo de óxidos conductores transparentes más fiables con bajo contenido en indio; y el diseño de nuevas células solares de heterounión que utilizan materiales de banda ancha como contactos selectivos de portadores», afirmó Zhong.
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