Un grupo de científicos del fabricante chino de módulos solares Longi ha descrito en un nuevo artículo científico la célula solar de heterounión de contacto posterior (HBC, por sus iniciales en inglés), con una eficiencia del 27,09%, que presentó en diciembre de 2023.
En aquel momento, Longi se limitó a decir que el resultado era posible gracias a un nuevo proceso gráfico láser que cuesta menos que los procesos fotolitográficos convencionales de alto coste, sin dar más detalles. En el nuevo documento, la empresa explicaba que la técnica de patronaje por láser había sido desarrollada por la propia Longi. Además, no sólo ofrecía una descripción técnica exhaustiva de la arquitectura de la célula, sino que también presentaba una estrategia sobre cómo mejorar la resistividad de contacto, la resistencia en serie y el diseño del patrón de la cara posterior.
El grupo especificó que las células solares HBC tienen problemas con las pérdidas por recombinación de portadores y dijo que éstas surgen de la región de contacto selectiva de huecos y de los límites de polaridad. «Proponemos soluciones a estos problemas y establecemos una relación clara entre la resistividad del contacto, la resistencia en serie y el diseño del patrón de la cara posterior», añadieron.
El grupo de investigación construyó la célula de 243,0 cm2 con una oblea Czochralski Longi M6 de 274,3 cm2 de espesor y 200 µm de grosor, basada en silicio monocristalino tipo n. La cara frontal presenta revestimientos antirreflectantes (ARC) y la posterior está dividida en cuatro regiones: contacto selectivo de agujeros (HSC), región de separación, contacto selectivo de electrones (ESC) y HSC más separación.
«Hemos utilizado silicio amorfo como capas pasivadoras de contacto y la ablación por láser como tecnología de producción en masa para fabricar células solares HBC», explican los investigadores. «Esto aporta ventajas como la baja fuga en la zona próxima al límite de polaridad n-p, el bajo coste, la escasa dificultad de deposición y la alta uniformidad».
Mediante un patrón láser, los investigadores aplicaron un láser verde pulsado de picosegundos para ablacionar la pila i-a-Si:H/p-a-Si:H superpuesta en la región ESC diseñada. La capa de óxido conductor transparente (TCO) se depositó mediante la técnica de pulverización catódica por magnetrón.
También utilizaron láser pulsado ultravioleta de picosegundos para eliminar la pila TCO/p-a-Si:H/i-a-Si:H de la región de separación diseñada para aislarla, lo que, según afirmaron, evita los canales de fuga. La capa de nitruro de silicio (SiNx) se utilizó para evitar que se dañara el rendimiento de pasivación de la pila i-a-Si:H/n-a-Si:H.
Probado en condiciones de iluminación estándar, el dispositivo alcanzó una eficiencia de conversión de potencia del 27,07% y una tensión en circuito abierto de 751 mV, resultados confirmados por el Instituto Alemán de Investigación de la Energía Solar (ISFH). Según Longi, el valor de la tensión en circuito abierto es uno de los más altos jamás registrados a nivel de investigación para este tipo de célula solar.
Su análisis también demostró que la célula, al igual que otros dispositivos HBC, sufre efectos de sombreado eléctrico, ya que los portadores de ambas polaridades se acumulan en el mismo lado, con la consiguiente disminución de la densidad de corriente de cortocircuito. Sin embargo, también descubrieron que estas pérdidas son ligeramente inferiores a las observadas en dispositivos anteriores.
«Esto se atribuye principalmente a la ganancia de corriente adicional de la oblea de silicio más gruesa y al área de iluminación designada utilizada en las mediciones, excluyendo las influencias de la recombinación y las fugas en el borde de la oblea de silicio», explicaron además.
El grupo también descubrió que la resistividad de contacto desempeña un papel fundamental en las células solares HBC de alta eficiencia y afirmó que minimizar el área de contacto de la región HSC o ESC era crucial para mejorar la eficiencia de la célula. «Al optimizar la región HSC, conseguimos la resistividad de contacto más baja utilizando la película p-a-Si:H», especificó. «Además, determinamos que la contribución de la resistividad de contacto a la resistividad puede calcularse directamente a partir de la relación de área de cobertura».
De cara al futuro, los investigadores afirmaron que quieren utilizar los efectos de borde de oblea y llevar a cabo una optimización «meticulosa» del revestimiento antirreflectante frontal y del reflector trasero, lo que creen que puede ayudar a la célula a alcanzar una eficiencia de hasta el 27,7%.
La arquitectura de la célula solar se describe en «27.09%-efficiency silicon heterojunction back contact solar cell and going beyond» (Célula solar de contacto posterior con heterojunción de silicio con eficiencia del 27,09 % y más allá), publicado en nature communications. «La investigación ofrece múltiples estrategias y directrices para optimizar el diseño estructural y resolver las principales contradicciones de las células solares de contacto dorsal», subraya el grupo.
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