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Se han fabricado células solares con rendimientos del 19% sobre sustratos de zona flotante FZ (A. Cuevas y M.A. Balbuena, Proc. 8th EC Photovoltaic Solar Energy Conf, Kluwer Academic, Dordrecht, 1988, pp. 1186-1191), lo cual constituyó récord europeo en su momento. Realizadas con tecnología planar, la sencilla estructura de las células incorpora conceptos que han devenido posteriormente en conocimiento básico en el mundo fotovoltaico, como son el emisor de fósforo profundo pasivado con óxido de silicio y el campo retrodifusor (BSF) de aluminio evaporado.
Sobre esta estructura básica se trabaja en algunas variantes que persiguen simplificar el proceso o adaptarlo a sustratos de calidad industrial (Czochralski –Cz- y multicristalino -MC). Por el momento, el mejor rendimiento obtenido con material Cz ha sido 18,1%, y con multicristalino 17,1%, con células de 4 cm2. Se estudian también modificaciones que tratan de conjugar mejores prestaciones con procesos sencillos, como la difusión simultánea de fósforo y aluminio en un solo paso térmico o la implementación de una BSF local (que reduce la recombinación en la zona posterior).
Otro campo en el que se han desarrollado células de fósforo-aluminio es en el de la concentración, habiéndose obtenido valores de 20,6% a 100 soles (10 Wcm-2).
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La célula bifacial fue inventada en el IES en 1976, y desarrollada hacia 1980. Esto dio lugar al nacimiento de Isofotón, una de las principales empresas fotovoltaicas del mundo. Las células bifaciales pueden integrarse en módulos bifaciales, que aprovechan la luz reflejada en su cara posterior, aumentando de esa forma la conversión de energía. Además, son especialmente indicadas para su uso en concentradores estáticos, pues duplican el nivel de concentración alcanzable.
Se han conseguido células solares bifaciales con rendimientos del 19,1% por la cara posterior (dopada con fósforo) y 18,1% por la frontal (dopada con boro) (A. Moehlecke, I. Zanesco y A. Luque, Proc. 1st World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, Hawaii, 1994, pp. 1663-1666). Adaptando el proceso a silicio Cz, hemos obtenido rendimientos del 17,7% por la cara posterior y 15,2% por la cara frontal. (C. del Cañizo, A. Moehlecke, I. Zanesco, A. Luque. IEEE Electron Dev. Lett. 21, 179-180, 2000).
Las investigaciones continúan, con la colaboración de otros socios, en el sentido de sustituir las técnicas usadas por nosotros, que son todavía relativamente caras, por técnicas estándar de la industria, con el objetivo de conseguir rendimientos razonables de forma económica. También se trabaja en reproducir los resultados con obleas de espesores en el rango de las 100-150 micras.
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El objetivo de esta actividad es desarrollar una nueva célula que aprovechando nuestro actual estado del arte tenga contactos exclusivamente posteriores .
Para conseguir células con contactos exclusivamente posteriores se realizan orificios que atraviesen la oblea de silicio pasando a través de esos agujeros metalizados la corriente de la cara anterior a un peine en la cara posterior. Se usan dos métodos para realizar los orificios pasantes.
Este tipo de célula tendrá aplicación para constituir un receptor tipo parquet para concentradores de Silicio parabólicos grandes puesto que las células pueden montarse contiguas evitando la pérdida de luz. Asimismo la conexión por una cara puede simplificar la automatización del conexionado en los módulos convencionales.
Las células solares son muy sensibles a ciertas impurezas —tales como los metales de transición— que pueden estar presentes en el silicio de partida, o bien serles introducidas durante el procesamiento de las mismas, sobre todo teniendo en cuenta que se tiende a usar silicio de baja calidad y por tanto más barato, y que el procesamiento no se hace en condiciones de sala blanca.
Debido a la baja concentración de impurezas a las que éstas son activas, las investigaciones sobre mecanismos de extracción son difíciles y están ampliamente sujetas a controversia.
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Hemos desarrollado un modelo basado en principios bien aceptados de la química física (C. del Cañizo, A. Luque. J. Electrochem. Soc. 147, 2685-2692, 2000), que incluye los mecanismos aceptados comúnmente para varios mecanismos de extracción de impurezas. En particular el modelo puede analizar cuantitativamente la extracción extrínseca por difusión y segregación a una capa líquida (caso de la extracción por aluminio), e incluir la inyección de autointersticiales (caso de la extracción por fósforo). Puede también tratar los mecanismos de precipitación de las impurezas (extracción intrínseca) y la decoración de defectos con metales de transición.
Se piensa que este modelo puede ser un instrumento poderoso de investigación de los mecanismos de extracción al poder analizar cuantitativamente los efectos que acarrearían los mismos en caso de estar presentes.
La medida del tiempo de vida de la base de las células solares a lo largo de los procesos de fabricación se usa frecuentemente en el IES (R. Lago-Aurrekoetxea, I. Tobías, C. del Cañizo, A. Luque. J. Electrochem. Soc., 148, G200-G206, 2001) en el desarrollo de nuevas células solares. Para ello se apartan muestras en las que, mediante ataques químicos, se eliminan las uniones y óxidos superficiales. La oblea así obtenida se mide manteniéndose pasivada por inmersión en ácido fluorhídrico concentrado.
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El fundamento de la medida es examinar la fotoconductividad, la cual se determina por acople inductivo de la oblea a un puente de medida. La medida puede hacerse en condiciones de iluminación pulsada, determinando la decaída de la fotoconductividad, lo que no necesita ninguna calibración para la determinación del tiempo de vida pero sí para determinar el nivel de inyección al que acontece. Se ha propuesto usar la recombinación Auger, bien conocida, para determinar el nivel de inyección.
En otros casos se usa una técnica cuasi-estática (iluminada con un destello lento) que permite medir tiempos de vida menores, pero esta medida necesita una calibración, difícil de hacer en las condiciones de la medida, es decir sumergida en un electrolito. Se usa la medida de decaída para calibrar la medida quasi-estática.
Estas medidas confirman el hecho recientemente observado de que en obleas p el tiempo de vida de los huecos es mucho mayor que el de los electrones, dando lugar a variaciones importantes del tiempo de vida con el nivel de inyección.
Con este tipo de medidas se intenta separar la recombinación de base y la del emisor posterior de las células solares de fósforo-aluminio, con objeto de proponer métodos de fabricar la última que permitan mejorar dichas células. Esto es especialmente importante ante la tendencia a reducir el espesor de las células con objeto de reducir el coste del material.
Hasta hace bien poco, el silicio cristalino usado en la industria fotovoltaica provenía en su mayor parte de los rechazos de la industria microelectrónica, obteniendo así precios sensiblemente menores a los del silicio ultrapuro de grado electrónico. Ante el vertiginoso crecimiento del mercado fotovoltaico, que hoy por hoy está basado en más del 90% en silicio cristalino, la cantidad de silicio necesario es muy superior a la que la industria microelectrónica puede suministrar a precios competitivos, por lo que es necesario encontrar vías propias de purificación de silicio, obteniendo realmente lo que podríamos llamar “silicio solar”.
El IES, junto con otros socios tecnológicos, entre los que se encuentran las empresas Ferroatlántica (la mayor productora mundial de silicio metalúrgico) trabaja en la investigación de un proceso integral para producir silicio solar y fabricar con él células solares. El seguimiento, control y extracción de impurezas contaminantes en todas las fases del proceso (purificación del silicio metalúrgico, crecimiento de lingotes, corte en obleas y fabricación de células) es un elemento clave para determinar los métodos de purificación y diseñar los procesos apropiados.
Otra línea de trabajo es la de usar silicio de baja calidad sobre el que se crece epitaxialmente una fina capa de silicio ultrapuro. Si se logra evitar que las impurezas del sustrato no difundan a la capa epitaxial, se puede realizar en ésta la célula solar. Actualmente los procesos de crecimiento epitaxial empleados en microelectrónica son lentos y costosos. En el IES se ha diseñado y construido un reactor epitaxial de alta productividad, que reduce el consumo de gases de proceso (hidrógeno y silano) gracias a un sistema de recirculación.
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