Un equipo de investigación chino ha fabricado interconexiones ultraestrechas para módulos solares orgánicos mediante el procesamiento con láser ultravioleta de 355 nm en nanosegundos. Los investigadores afirman haber logrado una anchura de interconexión de 80 μm, algo que hasta ahora solo era posible con láseres de pulsos de femtosegundos.
«El elevado gasto y el mayor consumo de energía de los láseres de pulsos de femtosegundos pueden plantear problemas potenciales, especialmente en los procesos de fabricación a gran escala», afirman. «Este estudio presenta un enfoque rentable y reproducible para producir módulos de células solares orgánicas (OSC, por sus iniciales en inglés) de alto rendimiento».
Como caso representativo, eligieron un sistema OSC que utilizaba una capa delgada de óxido de indio y estaño (ITO), con óxido de zinc (ZnO) como capa de transporte de electrones. La capa activa estaba hecha del material polimérico de heterounión PM6:L8-BO: PC61BM, una capa de óxido de molibdeno (MoOx) y un contacto metálico de plata (Ag). El sustrato era de vidrio.
«El principal obstáculo que dificulta la comercialización de las OSC es la dificultad de convertir células a escala de laboratorio en módulos de gran superficie», explica el grupo de investigación. «Uno de los retos consiste en preparar eficazmente la interconexión de las células en módulos minimizando al mismo tiempo la pérdida de eficiencia. Si los dispositivos de gran superficie se configuran como una única célula de gran tamaño en lugar de conectarse en serie, la conductancia restringida de los electrodos transparentes, como el ITO, provoca pérdidas en la resistencia en serie, lo que, a su vez, causa pérdidas de eficiencia».
Para resolver este problema, se suele emplear un método de trazado láser para crear una conexión en serie integrada utilizando el patrón P1-P2-P3. En su investigación, este trazado se realizó con el menos costoso procesamiento láser de nanosegundos.
En la etapa P1, la lámina delgada de ITO se corta en tiras que definen las subceldas. La anchura del pulso Q se optimiza a una constante de 4,0 μs. Tras la investigación, los científicos descubrieron que los picos creados en este proceso no disminuyen el rendimiento de los módulos OSC.
El siguiente paso de rayado, el P2, «está diseñado para eliminar todas las capas apiladas sobre la capa ITO, dejando la ITO intacta y creando así un buen contacto óhmico entre el cátodo de ITO y el ánodo de Ag».
Los científicos descubrieron que eso se puede crear con una anchura de pulso Q-switched que oscila entre 4,5 y 6,6 μs, ya que todos demostraron resultados comparables. «El aumento de la anchura del pulso Q-switched a 7,7 μs no da lugar a la eliminación completa de la capa activa. En consecuencia, provoca una disminución de todos los parámetros del dispositivo del módulo», añadieron. «Estos resultados confirman claramente que la ventana del proceso P2 puede ser significativamente más amplia después de equilibrar finamente la anchura de la subcelda y la profundidad de marcado del grabado láser».
El objetivo del último paso, el P3, es segmentar la película de Ag en tiras separadas para definir las subceldas. Para ello, los académicos aplicaron dos métodos -el trazado poco profundo (P3-S) y el trazado profundo (P3-D)- y comprobaron que en ambos casos, P3-S y P3-D, el OSC mostraba un rendimiento similar.
«Tras optimizar los parámetros del láser para los trazados P1, P2 y P3, se obtiene un área de trazado estrecha. La anchura de interconexión se reduce a unos 80 μm, que es la anchura más estrecha utilizando un láser de nanosegundos y es comparable a la de un láser de femtosegundos», señalaron. «La anchura de la subcelda se establece estratégicamente en 4,1 mm para maximizar el área del módulo y alcanzar un impresionante factor de llenado geométrico del 98%, alcanzando el punto de referencia para los módulos OSC fabricados con láser de nanosegundos.»
Al fabricar un dispositivo con una superficie de 1 cm2, el módulo obtuvo una eficiencia de conversión de potencia del 17,55%. «Se obtuvo una eficiencia del 16,10% para un módulo OSC con un área activa de 11,08 cm2, que es la mayor eficiencia para módulos solares orgánicos registrada hasta la fecha», añadió el grupo. «De manera impresionante, el módulo OSC de mayor rendimiento alcanzó un notable factor de llenado geométrico del 98%, lo que condujo a una eficiencia certificada del 15,43% en un área de apertura de 11,30 cm2».
El novedoso método se presentó en «A 16.10% efficiency organic solar module with ultra-narrow interconnections fabricated via nanosecond ultraviolet laser processing» (Un módulo solar orgánico con una eficiencia del 16,10 % y con interconexiones ultra estrechas fabricado mediante procesamiento con láser ultravioleta de nanosegundos), publicado en Cell Reports Physical Science. El grupo estaba formado por científicos de la Universidad Central del Sur de China, la Academia China de Ciencias, la Universidad de la Ciudad de Hong Kong y el Centro Nacional Chino de Nanociencia y Tecnología.
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