Análisis de los factores que afectan a la eficiencia de conversión de las células solares de silicio cristalino

Las células solares de silicio cristalino, uno de los tipos de células solares más utilizados, ven afectada su eficiencia de conversión por múltiples factores. La eficiencia de conversión de las células solares se refiere a la proporción de energía solar que puede convertirse en energía eléctrica. En aplicaciones prácticas, la mejora de esta eficiencia se enfrenta a varias limitaciones tecnológicas. En este artículo se analizan los factores que afectan a la eficiencia de conversión de las células solares de silicio cristalino, desde las pérdidas ópticas y eléctricas hasta los métodos para mejorar su eficiencia.

1. Factores que afectan a la eficiencia de conversión de las células solares de silicio cristalino

La eficiencia de conversión de las células solares se ve afectada principalmente por la absorción de luz, el transporte de portadores y la captación de portadores. En el caso de las células solares de silicio monocristalino, la eficiencia de conversión teórica máxima es de 28%. Sin embargo, la eficiencia de conversión real se ve limitada por diversos factores, que pueden clasificarse a grandes rasgos en pérdidas ópticas y pérdidas eléctricas.

1.1 Pérdidas ópticas

Las pérdidas ópticas incluyen varios tipos de pérdidas:

• Pérdida por reflexión en superficie: Cuando la luz solar incide sobre la superficie de la célula solar, una parte de la luz se refleja y no puede ser absorbida por la célula. Este es un factor importante que afecta a la eficiencia de la célula solar. Normalmente, el índice de reflexión de las células solares de silicio cristalino es de 30%-35%. Para mitigarlo, se aplican revestimientos antirreflectantes (como nitruro de silicio u óxido de silicio) para reducir el índice de reflexión a 5%-10%.
• Pérdida de sombra de las líneas de la red de contacto: Los contactos metálicos (líneas de rejilla) en la superficie de la célula bloquean parte de la luz, reduciendo la cantidad de luz que incide directamente sobre la superficie de la célula. El diseño de las líneas de rejilla debe equilibrar la pérdida de sombra con la capacidad de captación de corriente, minimizando el bloqueo de luz.
• Pérdidas por no absorción en longitudes de onda largas: Las células solares de silicio cristalino tienen un gran bandgap, lo que significa que no pueden absorber eficazmente la luz infrarroja en el espectro de longitud de onda más larga. Esta energía luminosa no absorbida contribuye a la pérdida de eficiencia.

1.2 Pérdidas eléctricas

Las pérdidas eléctricas se deben a varios factores:

• Recombinación de portadores fotogenerados: Después de que la luz incida en la superficie de la célula solar, los electrones y los huecos generados deben separarse eficazmente y transportarse a los electrodos. Si se recombinan antes de llegar a los electrodos, se pierde energía. La recombinación suele producirse en los defectos superficiales o masivos del material, especialmente cuando la concentración de portadores es alta. Minimizar la recombinación es fundamental para mejorar la eficiencia de las células solares.
• Resistencia de contacto: La resistencia de contacto entre el semiconductor y los electrodos metálicos, así como la calidad de los contactos de los electrodos, también pueden afectar a la eficiencia de la célula. Una resistencia de contacto elevada aumenta la resistencia interna, lo que dificulta el flujo de corriente y reduce la eficiencia de salida de la célula.
• Recombinación de la superficie posterior: La recombinación en la superficie posterior afecta significativamente a la eficiencia de la célula solar, sobre todo en el caso de las células delgadas. Si la longitud de difusión de los portadores supera el grosor de la oblea de silicio, la recombinación en la superficie posterior se hace más notable, lo que afecta negativamente al rendimiento de la célula solar.

2. Métodos para mejorar la eficiencia de conversión de las células solares de silicio cristalino

Para mejorar la eficiencia de conversión de las células solares de silicio cristalino, se han propuesto diversas estrategias de optimización. El objetivo de estas estrategias es reducir las pérdidas ópticas y eléctricas, aumentar la absorción de luz y mejorar la eficiencia de captación de portadores.

2.1 Estructura para atrapar la luz

Para aumentar eficazmente la absorción de la luz, las células solares de silicio cristalino suelen utilizar la tecnología de texturización por grabado químico. La superficie texturizada puede reducir significativamente la reflexión de la luz y mejorar su absorción. Actualmente, la tecnología de grabado iónico reactivo (RIE) se ha convertido en un método de texturización muy utilizado. Esta tecnología crea una superficie texturizada uniforme que mejora la reducción de la tasa de reflexión, optimizando la reflexión y la absorción de la luz.

2.2 Revestimiento antirreflectante

La función de un revestimiento antirreflectante es reducir la pérdida por reflexión creando interferencias entre la luz incidente y la superficie de la célula. Los materiales antirreflectantes más comunes son TiO2, SiO2, SnO2 y otros. Cuando se aplica un revestimiento antirreflectante a la superficie texturizada de la célula, el índice de reflexión puede reducirse a unos 2%.

2.3 Capa de pasivación

Las capas de pasivación pueden reducir eficazmente la recombinación de los portadores fotogenerados en determinadas regiones. Entre las técnicas de pasivación más comunes se encuentran la pasivación por oxidación térmica y la pasivación por hidrógeno atómico. Estos métodos forman una capa protectora en la superficie de la célula, que ayuda a prevenir la recombinación de portadores. Además, también pueden utilizarse técnicas de difusión superficial (como la difusión de fósforo o aluminio) para la pasivación, lo que mejora significativamente el rendimiento de la célula solar.

2.4 Mejora del campo trasero

En las células solares de material tipo P, la adición de una capa P+ muy dopada en la superficie posterior puede formar una estructura P+/P, creando un campo eléctrico integrado en la interfaz P+/P. Este campo eléctrico integrado ayuda a separar los portadores fotogenerados en el lado P+ y genera fotovoltaje. Este campo eléctrico incorporado ayuda a separar los portadores fotogenerados, dando lugar a una acumulación de portadores en el lado P+ y generando una fototensión. Esta fototensión aumenta la tensión de circuito abierto (Voc) de la célula solar. Además, la presencia del campo eléctrico posterior acelera la difusión de los portadores fotogenerados, aumentando eficazmente su longitud de difusión y mejorando la corriente de cortocircuito (Jsc).

2.5 Mejora del material del sustrato

La elección de materiales de silicio de alta calidad es crucial para mejorar el rendimiento de la célula. El silicio de tipo N es especialmente ventajoso porque tiene un mayor tiempo de vida del portador, menor reacción boro-oxígeno, mejor conductividad eléctrica y menor corriente de saturación. El uso de silicio de tipo N como material de sustrato puede mejorar eficazmente la eficiencia de conversión de la célula solar.

3. Conclusión

La eficiencia de conversión de las células solares de silicio cristalino está influida por múltiples factores, principalmente las pérdidas ópticas y eléctricas. Para mejorar la eficiencia de las células solares son necesarias estrategias de optimización integrales, como el empleo de estructuras que atrapen la luz, revestimientos antirreflectantes, capas de pasivación y la optimización del diseño del campo posterior. Además, el uso de materiales de silicio de alta calidad para el sustrato puede mejorar significativamente el rendimiento global de la célula solar. Con los continuos avances tecnológicos, se espera que la eficiencia de las células solares de silicio cristalino siga mejorando en el futuro.