Innovación: Células solares de silicio de alta eficiencia

El Grupo de Investigación en Micro y Nanotecnologías de la UPC ha creado células fotovoltaicas de silicio que logran un rendimiento del 20.5%, hecho que las convierte en el modelo más eficiente de los que existen en España. Este resultado está al nivel de las investigaciones realizadas por grupos de investigación líderes en este ámbito a escala internacional. El rendimiento máximo de células de este tipo es del 24.7%, logrado por un grupo australiano de la University of New South Wales.

¿PARA QUÉ SIRVE?

El aumento de la eficiencia en las placas permite aumentar una tercera parte la producción de energía por cada unidad de superficie. Por ejemplo, gracias al elevado rendimiento de este nuevo modelo de células, sólo harían falta 4,8 m2 de placas fotovoltaicas por suministrar la energía consumida por una familia en un año —de unos 4 kWh al día por término medio—, mientras que con las células tradicionales se necesitarían 6,5 m2.

¿CÓMO FUNCIONA?

Compuestas de silicio cristalino, su funcionamiento es sencillo y similar al de las células convencionales: la luz que captan genera cargas que se recogen en los contactos de las placas y la transforman en corriente eléctrica.

El proceso de fabricación para obtener células solares de silicio monocristalino de alta eficiencia (>20%) desarrollado por el grupo, se basa en el concepto de célula solar denominado LFC-PERC (Laser-Fired Contact Passivated Emitter and Rear Cell). En este tipo de estructura, un haz láser incide localmente sobre el metal trasero, aluminio, de una célula de silicio tipo p.

El aluminio está dispuesto sobre un material aislante que pasiva la superficie (baja recombinación superficial), por ejemplo óxido térmico SiO2, alumina Al2O3 o carburo de silicio SiCx. El calentamiento local funde el aluminio, la capa aislante y parte del silicio formando los contactos traseros de la célula solar. El aluminio es un material dopante tipo p en el silicio, con lo que adicionalmente, es posible crear una región fuertemente dopada p+ que disminuye la recombinación superficial en las zonas contactadas (BSF “Back Surface Field”) mejorando las prestaciones del dispositivo.

¿QUÉ NOVEDADES APORTA?

La introducción del láser en la industria fotovoltaica es hoy en día un hecho palpable. Sin el uso del láser sería impensable todo el desarrollo que han sufrido las denominadas tecnologías de capa fina. En este caso su finalidad es la ablación o decapado de diferentes capas en varias fases del proceso de fabricación.

En el caso del silicio monocristalino o multicristalino existen diferentes ejemplos de células solares que serían difícilmente realizables sin uso, como son las células de contacto enterrado BCSC “Buried Contact Solar Cell”. O bien las denominadas células MWT “Metallisation Wrap Through” y EWT “Emitter Wrap Through”. En estas células, la metalización frontal es llevada parcialmente o totalmente a la parte trasera de la célula solar, disminuyendo en consecuencia las pérdidas por sombra. Este trasvase de la metalización frontal a la superficie trasera se consigue gracias a unas vías, creadas por un láser, que atraviesan verticalmente toda la célula solar.

El uso específico del láser para crear contactos óhmicos es una idea que se exploró en el ámbito de la microelectrónica en los años 70. Pero su uso para contactar el aluminio trasero con el silicio tipo p, en el proceso denominado Lase-Fired Contact (LFC), es más reciente (2002). La utilización del láser es una alternativa interesante para disminuir los costes de fabricación tanto en células de alto rendimiento tipo PERC de laboratorio como su versión industrial (i-PERC), ya que hace innecesario el uso de fotolitografía para realizar los contactos traseros.

DESARROLLO ACTUAL  (VERANO DE 2011)

La clave en esta innovación ha sido minimizar las pérdidas, hecho que convierte las células de silicio desarrolladas por los investigadores de la UPC en las más eficientes del Estado. “Hemos hecho un esfuerzo considerable de concepción y desarrollo de nuevos materiales, de nuevas estructuras y de la tecnología necesaria para que todo el proceso sea lo más perfecto posible y permita lograr altos rendimientos”, ha señalado  Ramón Alcubilla, catedrático del Grupo de Investigación en Micro y Nanotecnologías de la UPC. Ahora el futuro pasa por desarrollar procedimientos que hagan posible la fabricación a gran escala.

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