Una nueva investigación muestra la vulnerabilidad de las células solares TOPCon a la corrosión por contacto

Científicos de la Universidad australiana de Nueva Gales del Sur (UNSW) y del fabricante chino-canadiense de módulos fotovoltaicos Canadian Solar han investigado la degradación de las células solares industriales TOPCon sometidas a condiciones de ensayo acelerado de 85 ºC y 85% de humedad relativa en el denominado ensayo de calor húmedo (DH85).

«Nuestros hallazgos ponen de relieve la vulnerabilidad de las células solares TOPCon a la corrosión por contacto, destacando la reactividad electroquímica de la metalización como un riesgo potencial para el funcionamiento del módulo a largo plazo», dijo el autor principal de la investigación, Bram Hoex, a pv magazine. «Este estudio aporta conocimientos cruciales sobre los mecanismos de degradación de las células TOPCon, esenciales para optimizar el rendimiento y mejorar la fiabilidad a largo plazo de estos módulos».

Hoex explicó que el estudio complementa el trabajo anterior del grupo de investigación y lo amplía mediante el uso de dos tipos de sales que contienen sodio, lo que permitió a los investigadores observar diferencias en las reacciones químicas que tienen lugar. «Esta mejor comprensión de la química subyacente que explica la degradación es clave para seguir mejorando la estabilidad de TOPCon», añadió.

El grupo publicó un primer artículo a finales de abril, en el que identificaba tres nuevos tipos de fallos en los módulos solares TOPCon que nunca se habían detectado en los paneles PERC. Este trabajo pretendía evaluar el impacto de las listas de materiales (BOM, por sus iniciales en inglés) en la fiabilidad de las células solares PERC y TOPCon disponibles en el mercado.

«Los resultados nos sorprendieron bastante», declaró Hoex a pv magazine en su momento. «Esperábamos que el elastómero de poliolefina (POE) funcionara bien en general, pero descubrimos que algunos POE funcionaban muy mal. Esto se debe probablemente a los distintos aditivos utilizados en el POE, que reaccionan con el fundente de soldadura y la metalización, lo que provoca corrosión por contacto».

En la nueva investigación, los científicos descubrieron diferencias significativas entre la sensibilidad de la parte delantera y la trasera de las células solares TOPCon cuando la degradación era inducida por dos sales que contienen sodio: bicarbonato sódico (NaHCO3) y cloruro sódico (NaCl).

Los académicos realizaron las pruebas con células solares TOPCon tipo n G1 de 158,75 mm x 158,75 mm con 5 barras colectoras. Su eficiencia media de conversión de potencia fue del 23,1 %.

En la cara frontal, los dispositivos se fabricaron con un emisor difuso de boro recubierto de óxido de aluminio (Al2O3) y nitruro de silicio (SiNx), así como una pila de oxinitruro de silicio (SiOyNz) que proporcionaba pasivación superficial y actuaba como recubrimiento antirreflectante (ARC). En la cara posterior, las células presentaban una arquitectura TOPCon basada en una capa túnel de óxido de silicio (SiO2) emparejada con una capa de poli-Si dopada con fósforo, así como una capa ARC de SiNx.

«La metalización de la cara delantera comprendía una combinación de plata (Ag) y aluminio (Al, 3-5 at.%) como material conductor, mientras que el contacto metálico de la cara trasera consistía únicamente en Ag para la conducción», explicaron los investigadores.

La prueba DH85 se realizó mediante imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) en cinco muestras de células: células de referencia tratadas únicamente con agua desionizada (DIW); células expuestas a NaHCO3 en la parte delantera; NaHCO3 en la parte trasera; células expuestas a NaCl en la parte delantera; y células expuestas a NaCl en la parte trasera.

En cuanto al primer grupo, los científicos descubrieron que exponer las células TOPCon a alta humedad a temperaturas elevadas durante periodos prolongados no conducía intrínsecamente a la degradación. Sin embargo, en los otros grupos, la degradación de la eficiencia fue significativa.

«Nuestra prueba acelerada con NaCl provoca una degradación extrema de la eficiencia de conversión de potencia, con una reducción relativa del 92%, mientras que el NaHCO3 provoca una reducción relativa de la eficiencia del 5%», afirma Hoex. «El principal mecanismo de degradación es un aumento significativo de la resistencia en serie (Rs), probablemente debido a reacciones electroquímicas dentro de la pasta de plata-aluminio (Ag/Al)».

«Cuando se aplica a la parte posterior de la célula solar TOPCon, el NaHCO3 aumenta la recombinación y deteriora los contactos, lo que provoca una reducción de la eficiencia del 16% tras sólo 100 horas de pruebas DH85», añadió Hoex. «En cambio, el NaCl aumenta principalmente la recombinación y no parece afectar al contacto, causando una pérdida de eficiencia del 4%. Una investigación más profunda revela mecanismos de degradación en los contactos metálicos de la cara posterior, en particular la oxidación en la interfaz Ag-Si».

Los científicos destacaron que las pastas de Ag/Al están expuestas a riesgos de estabilidad a largo plazo cuando se exponen a contaminantes de nivel iónico y afirmaron que deberían investigarse otras combinaciones de nivel iónico.

«En resumen, este estudio desvela que los mecanismos de degradación por contacto TOPCon se ven influidos significativamente por la combinación de iones y composiciones de la pasta», declararon los investigadores. «Ofrece información crucial sobre los patrones de degradación y los factores subyacentes que afectan a los contactos metálicos de las células solares TOPCon, ayudando potencialmente en la evaluación de la fiabilidad a nivel de módulo».

Sus hallazgos están disponibles en el artículo «Unveiling the origin of metal contact failures in TOPCon solar cells through accelerated damp-heat testing» (Descubriendo el origen de los fallos de contacto del metal en las células solares TOPCon mediante pruebas aceleradas de calor húmedo), publicado en Solar Energy Materials and Solar Cells. En el equipo de investigación también participaron académicos de las universidades chinas de Nantong y Shanghai Jiao Tong.

En otro estudio publicado a principios de abril, el mismo equipo de investigación colaboró con científicos del fabricante chino de paneles Jolywood para diseñar un proceso de cocción asistido por láser en la fabricación de células solares TOPCon que, según se informa, puede aumentar la calidad de los contactos y la resistencia a la corrosión, además de reducir los costes de producción.

Denominada Jolywood Special Injected Metallization (JSIM), la nueva técnica consiste en un proceso de cocción asistida por láser que utiliza una pasta de plata (Ag) personalizada para la formación del contacto frontal en las células solares TOPCon. Se trata de una técnica de cocción a baja temperatura destinada a facilitar la penetración de la pasta a través del revestimiento antirreflectante frontal de la célula.

«La tecnología JSIM ya está siendo producida a gran escala por Jolywood, y otras empresas están desarrollando y aplicando también sus propias versiones de cocción asistida por láser», declaró entonces el autor principal de la investigación, Bram Hoex, a pv magazine. «Jolywood fue uno de los primeros fabricantes en implantar la tecnología TOPCon en la producción a gran escala».

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