Recubrimiento metálico como camino hacia células solares más baratas y altamente eficientes

La primera parte de esta serie describió los desarrollos tecnológicos que han tenido lugar hasta la fecha. células solares serigrafiadas además de las ventas mundiales de energía fotovoltaica. A pesar de su posición dominante entre la mayoría de los fabricantes fotovoltaicos, es probable que sustituya a la clásica célula serigrafiada. PERC células en la próxima década. Además, los recientes récords mundiales fueron establecidos por Panasonic Y energía solar en células solares de contacto posterior apuntan a arquitecturas que asegurarán el dominio futuro. Este artículo explica los conceptos básicos del recubrimiento metálico para la fabricación de células solares. Se trata de un avance en el procesamiento de células solares que puede adaptarse a futuros diseños de células y permitir dispositivos altamente eficientes a costos más bajos.

Las demandas en la fabricación fotovoltaica aumentan constantemente: tanto las células récord mundiales de Panasonic como las de SunPower requieren técnicas de fabricación avanzadas que permitan sistemas de contacto metálico de alta resolución y baja fuerza. La Hoja de ruta tecnológica internacional para la energía fotovoltaica (ITRPV) predice que el espesor de las obleas de silicio y el uso de plata en la producción fotovoltaica (principalmente contenida en pastas de serigrafía) disminuirán significativamente en la próxima década. Esta tendencia se debe al alto precio de la plata y a la reducción de costes de los fabricantes al utilizar menos silicio por oblea. Significativamente, las mismas proyecciones del ITRPV también suponen que las células solares recubiertas (de níquel y cobre) representarán más del 35% del mercado fotovoltaico para finales de 2024.

El espesor proyectado de las obleas producidas en masa. (Fuente de imagen: ITRPV)

Peso de plata utilizada por celda y participación proyectada de tecnologías de revestimiento durante la próxima década. (Fuente de imagen: ITRPV)

Una introducción al recubrimiento

La galvanoplastia es el proceso mediante el cual una superficie conductora se puede cubrir con una capa de metal cuando se sumerge en una solución que contiene iones metálicos disueltos. Para que el metal disuelto se recubra en las áreas conductoras deseadas, se deben “reducir”; en otras palabras, deben aceptar un electrón en algún lugar del sistema de revestimiento para poder adherirse a la superficie conductora. Estos electrones pueden provenir de una fuente de energía externa (por ejemplo, una batería o una fuente de alimentación), de la oxidación de otros metales dentro del sistema de recubrimiento (por ejemplo, de la oxidación de la varilla de cobre en la imagen a continuación) o incluso de agentes reductores en el proceso químico. solución (como es el caso del revestimiento no electrolítico).

Un cátodo de metal recubierto de cobre (Cu) en una solución de sulfato de cobre (CuSO4) que contiene un ánodo de sacrificio de cobre que se oxida y emite electrones durante el proceso de recubrimiento. (Fuente de imagen: Wikimedia Commons)

Aunque pueda parecer bastante exótico, los recubrimientos metálicos se utilizan habitualmente para recubrir y dar acabado a muchos bienes de consumo, como cubiertos, piezas de automóviles, componentes electrónicos e incluso instrumentos musicales.

Células solares chapadas en oro

En el contexto de las células solares, el revestimiento metálico se puede utilizar como un proceso de baja fuerza que puede depositar metal (normalmente níquel y cobre) en áreas de silicio expuestas en la célula solar, por ejemplo, en áreas abiertas por revestimientos aislantes antirreflectantes. . El proceso no requiere mucho esfuerzo y, por tanto, también es compatible con obleas más finas. Las aplicaciones incluyen la formación de contactos metálicos en la parte frontal y/o posterior, y el refuerzo de materiales menos conductores con una capa más gruesa de metal chapado.

Una adaptación particularmente inteligente de la metalización de células solares es el proceso de recubrimiento inducido por luz. Utiliza los mismos principios básicos que la galvanoplastia; Sin embargo, al iluminar la célula solar mientras está sumergida en una solución, se puede eliminar el suministro de energía y la electricidad que impulsa la reacción de revestimiento solar proviene de la propia célula. Se trata de una técnica de revestimiento que se utiliza actualmente en líneas de fabricación de todo el mundo.

Una configuración de revestimiento inducida por luz que muestra la célula solar iluminada que impulsa la corriente de revestimiento. Esta construcción en particular también tiene capacidades de control de voltaje (Vbias) (Fuente de la imagen: materiales)

panorama

El ITRPV proyecta que el coste de la energía fotovoltaica alcanzará la friolera de 0,33 dólares por vatio dentro de una década. Llegar a ese punto requerirá una transición a técnicas de fabricación avanzadas, y las tecnologías de recubrimiento que nos permitan utilizar menos material de plata y silicio y al mismo tiempo mejorar la eficiencia de las células nos ayudarán a llegar allí. Poner en marcha nuevos procesos en la producción en masa no es una tarea fácil y quedan importantes cuestiones por resolver, pero la comunidad de investigación fotovoltaica tiene una serie de opciones que podemos explorar en el camino hacia una energía solar súper barata.

Crédito de la foto superior: Red de Educación Fotovoltaica