Investigadores de la Universidad de Nankai en China han fabricado una célula solar de heterounión (HJT) metalizada con cobre (Cu) utilizando una nueva estrategia de ingeniería de interfaz destinada a abordar la baja adhesión interfacial y la alta resistividad de contacto en el óxido conductor transparente (TCO) basado en óxido de indio y estaño (ITO).
La capa de ITO es crucial para el rendimiento de las células solares HJT, ya que forma un contacto óhmico entre las delgadas capas de silicio amorfo (a-Si:H) y los electrodos metálicos, permitiendo una extracción eficiente de portadores. También protege las delicadas capas de pasivación frente a daños durante la deposición de la rejilla metálica, asegurando la integridad de estas interfaces sensibles. Además, el ITO contribuye a la mejora óptica al actuar como capa antirreflectante; al ajustar cuidadosamente su espesor y su índice de refracción, reduce las pérdidas por reflexión y mejora el acoplamiento de la luz hacia el absorbedor de silicio.
“Desarrollamos una estrategia de ingeniería de interfaz inducida por plasma de argón-hidrógeno (Ar/H2) para ITO, que aborda eficazmente los desafíos críticos en la metalización por electrochapado de células solares HJT, incluyendo la baja adhesión, la alta resistencia de contacto y la estabilidad limitada, permitiendo así un electrochapado de cobre de ultra alta calidad sobre ITO”, dijo el autor correspondiente Guofu Hou a pv magazine. “La sinergia del sputtering físico y las especies reactivas de hidrógeno introduce hidrógeno intersticial en la red del ITO y aumenta la concentración de vacantes de oxígeno, al mismo tiempo que hidroxila la superficie del ITO para lograr superhidrofilicidad”.
“Combinamos cálculos sistemáticos de teoría del funcional de la densidad (DFT), simulaciones por método de elementos finitos (FEM) y análisis cuantitativo de nucleación basado en Python/OpenCV para dilucidar el mecanismo subyacente”, dijo el coautor Taiqiang Wang. “Los resultados de DFT revelaron que la hidroxilación del ITO refuerza notablemente la adsorción de iones de níquel (Ni²⁺), con una energía de adsorción que disminuye de −0.753 eV a −2.18 eV. Las simulaciones FEM también indicaron que las mejoras inducidas por plasma en las propiedades eléctricas del ITO conducen a una distribución de corriente superficial más uniforme durante el proceso de electrochapado, suprimiendo eficazmente el sobredepósito local. En consonancia con estos resultados, el análisis estadístico basado en imágenes confirmó una mayor densidad de nucleación y la formación de una capa semilla de níquel (Ni) más densa, de grano más fino y más uniforme”.
Los científicos depositaron las películas de ITO sobre sustratos de vidrio previamente limpiados mediante deposición física de vapor (PVD). Antes del tratamiento por plasma, las muestras se limpiaron secuencialmente mediante ultrasonidos en acetona, etanol y agua desionizada durante 20 minutos, seguidas de secado bajo nitrógeno y al aire. El tratamiento por plasma se realizó en un sistema de deposición química de vapor asistida por plasma (PECVD) equipado con un electrodo de radiofrecuencia (RF) de 4 pulgadas, utilizando potencias de RF entre 0 W y 200 W o 0–2.5 W/cm².
La composición química, la química superficial y la estructura electrónica de las películas de ITO se analizaron mediante espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS), resonancia de espín electrónico (ESR), microscopía de fuerza de sonda Kelvin (KPFM), espectroscopía de fotoelectrones ultravioleta (UPS) y espectroscopía UV–Vis. Para la fabricación de la célula, obleas de silicio cristalino tipo n fueron texturizadas en una solución de hidróxido de potasio (KOH), seguidas por la deposición de capas de a-Si:H mediante PECVD y ITO depositado por sputtering.
El grupo explicó que el tratamiento óptimo con plasma Ar/H2 ajusta simultáneamente la composición química, la estructura electrónica y la energía superficial del ITO, mejorando la conductividad eléctrica, reduciendo la función de trabajo y optimizando las propiedades interfaciales, mientras que un tratamiento excesivo conduce a la reducción del material y a la degradación del rendimiento. Además, elimina eficazmente la contaminación de carbono en la superficie y agudiza los picos de niveles centrales, mejorando la limpieza superficial y la humectabilidad del electrolito, lo que permite un electrochapado uniforme.
Basándose en la ingeniería de interfaz por plasma optimizada, el proceso se integró en la fabricación de una célula solar HJT con metalización bifacial mediante electrochapado de cobre. Los precursores HJT se definieron por fotolitografía y se metalizaron mediante electrochapado secuencial de níquel/cobre/estaño (Ni/Cu/Sn). La capa de níquel actúa como capa semilla y como barrera de difusión para suprimir defectos inducidos por el cobre, seguida de una capa gruesa de cobre para el transporte de carga y una capa de estaño como recubrimiento para protección contra la oxidación y mejora de la soldabilidad.
Probada bajo condiciones estándar de iluminación, la célula HJT alcanzó una eficiencia de conversión de potencia del 25.2%, una tensión de circuito abierto de 742.1 mV, una densidad de corriente de cortocircuito de 40.49 mA/cm² y un factor de llenado de 83.86%. Un dispositivo de referencia construido sin el tratamiento por plasma alcanzó una eficiencia de solo 21.10%, una tensión de circuito abierto de 724.1 mV y un factor de llenado de 71.5%, sin que se publicara el valor de densidad de cortocircuito.
“Nuestros resultados indican la viabilidad de aplicar la ingeniería de interfaz inducida por plasma Ar/H2 a la metalización por electrochapado de cobre para células solares SHJ de alto rendimiento, lo que ofrece una vía prometedora para reducir la dependencia de pastas de plata de baja temperatura y mitigar los riesgos de costo y suministro asociados con la escasez global de plata”, dijo Hou, señalando que las mejoras de rendimiento observadas son escalables a dispositivos de gran área, con las primeras muestras alcanzando eficiencias superiores al 24%.
El nuevo concepto de célula solar fue presentado en “Plasma-induced interface engineering enables high-efficiency Ag-free silicon heterojunction solar cells with electroplated metallization” (La ingeniería de interfaz inducida por plasma permite obtener células solares de heterounión de silicio sin plata de alta eficiencia con metalización electrodepositada), publicado recientemente en Journal of Energy Chemistry.
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