Una célula solar IBC basada en una oblea de silicio negro ultrafino alcanza una eficiencia del 16,4%

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Un equipo internacional de investigación ha tratado de aplicar el silicio negro (bSi) para desarrollar sustratos ultrafinos para aplicaciones en células solares de contacto posterior interdigitado (IBC).

Este tipo de silicio ofrece la ventaja de permitir la producción de obleas ultrafinas y flexibles con menores niveles de impurezas, lo que se traduce en propiedades excepcionales de absorción de la luz y bajos costos de producción. “El silicio negro es una nanotextura aleatoria que reduce al mínimo la reflectancia de la superficie desde todas las direcciones, de modo que el Si se vuelve negro a simple vista, a diferencia de las pirámides aleatorias convencionales a escala micrométrica”, explican los científicos.

Utilizaron el grabado iónico reactivo profundo (DRIE) a temperaturas criogénicas para producir sustratos de Si con diferentes grosores de hasta 10 µm. Este proceso es una técnica de grabado basada en plasma que produce agujeros profundos y zanjas con lados empinados en obleas de silicio.

Los investigadores utilizaron un sustrato de Si con un grosor de 40 µm para construir una célula solar con arquitectura IBC, que, según dijeron, puede aprovechar la ventaja óptica de una superficie frontal de bSi en el material. “La estructura de célula solar c-Si IBC utilizada se basa en pilas de óxido de vanadio (VOx) y carburo de silicio dopado con fósforo procesado con láser como capas de transporte de huecos y electrones, respectivamente”, explicaron.

Las células también contaban con una capa de pasivación superficial hecha de óxido de aluminio (Al2O3) y carburo de silicio (SiC). “Elegimos una capa conformada de Al2O3 depositada mediante deposición de capas atómicas (ALD), ya que ofrece una excelente pasivación superficial de la nanotextura de bSi, logrando tiempos de vida medios superiores a 250 µm en nuestras obleas ultrafinas de bSi”, señalaron los científicos.

El dispositivo fotovoltaico alcanzó una eficiencia de conversión de potencia del 16,4%, una tensión de circuito abierto de 633 mV, una densidad de corriente de cortocircuito de 35,4 mA cm-2 y un factor de llenado del 73,4%. En comparación, una célula de referencia con una superficie frontal pulida y sin la oblea de silicio negra alcanzó una eficiencia del 11,5%, una tensión de circuito abierto de 600 mV, una densidad de corriente de cortocircuito de 27,1 mA cm-2 y un factor de llenado del 70,7%.

“Los resultados de la eficiencia cuántica externa (EQE) con superficie frontal de bSi mejoran los del dispositivo idéntico con superficie frontal pulida en todos los rangos espectrales medidos, desde el infrarrojo cercano (NIR) hasta el ultravioleta (UV), lo que demuestra que las propiedades ópticas pueden transferirse con éxito al rendimiento fotovoltaico eléctrico en una célula encapsulada final”, concluyeron los científicos, señalando que es necesario seguir trabajando para mejorar la eficacia de la textura frontal de bSi para atrapar la luz.

Presentaron la nueva tecnología de obleas y células en el artículo “Black Ultra-Thin Crystalline Silicon Wafers Reach the 4n2 Absorption Limit-Application to IBC Solar Cells” (Las obleas negras de silicio cristalino ultrafino alcanzan el límite de absorción 4n2 en aplicación a células solares IBC), publicado en Nano-Micro Small. El grupo de investigación está formado por académicos de la Universitat Politècnica de Cataluña (España) y la Aalto University (Finlandia).

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