Una nueva tecnología de implantación iónica abarata los costos de las células solares TOPCon

Investigadores del Instituto Tecnológico de Tokio (Japón) y del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (Fraunhofer ISE) de Alemania han fabricado una célula solar basada en la tecnología de contacto pasivado de óxido de túnel tipo n (TOPcon) aplicando una técnica de fabricación conocida como implantación iónica por inmersión en plasma (PIII, por sus siglas en ingés) o dopaje por plasma pulsado (PIII pulsado).

Esta última consiste en una técnica de modificación de superficies que, a diferencia de las técnicas convencionales de implantación de iones, rodea el elemento objetivo con plasma y lo somete a pulsos de alta tensión negativa. Su ventaja radica en la capacidad de implantar los objetivos con geometrías tridimensionales complejas, lo que evita los sistemas de escaneo o los manipuladores de objetivos.

En las células fotovoltaicas TOPCon, la implantación de iones se utiliza para sobrecompensar localmente con fósforo una capa TOPCon in situ dopada con boro, lo que mejora la calidad de la pasivación eléctrica y superficial de la célula.

“La implantación de iones mediante el sistema PIII simplifica el diseño de los equipos y reduce significativamente sus costos al eliminar el número de sistemas de separación de masas, componentes de aceleración, grandes bombas de vacío y etapas operativas necesarias para la implantación por barrido”, explicaron los científicos. “Además, el rendimiento puede aumentar drásticamente porque el sistema PIII tiene electrodos de extracción de iones de gran superficie que pueden utilizarse para la implantación de gran superficie”.

Construyeron la célula con una oblea de tipo n de Czochralski (CZ) de 156 mm × 156 mm con un grosor de 180 μm. Utilizaron dos sistemas de implantación distintos, conocidos como sistema Beam line y sistema PIII, para la implantación iónica y depositaron una capa de dióxido de silicio (SiO2) en ambas caras mediante deposición química en fase vapor a baja presión (LPCVD). “Para el dopaje con boro, se utilizaron iones BF + en el sistema de implantación por línea de haz y plasma BF3 en el sistema PIII”, explicaron.

El proceso de fabricación concluye con un paso de hidrogenación, que incluye la deposición de una capa de nitruro de silicio hidrogenado (SiNx:H) de 75 nm de grosor en ambas caras de la célula.

Para evaluar la calidad de la pasivación del dispositivo, el grupo de investigación utilizó el método de medición de la fotoconductancia en estado cuasi estable (QSSPC), que es una herramienta estándar utilizada en la fotovoltaica basada en silicio para realizar mediciones dependientes de la inyección de la vida útil del portador en obleas de silicio.

El análisis demostró que ambos sistemas de implantación iónica utilizados en el experimento alcanzaban casi la misma calidad de pasivación superficial en condiciones optimizadas, al tiempo que mostraban una corriente de cortocircuito y un factor de llenado similares. Sin embargo, también demostró que el sistema Beam line puede dar lugar a una mayor calidad de pasivación superficial, lo que, según los investigadores, podría deberse probablemente a las condiciones de recocido no optimizadas.

Probada en condiciones de iluminación estándar, la célula fabricada mediante el sistema Beam line alcanzó una eficiencia de conversión de potencia del 20,5% y la construida mediante el sistema PII llegó al 20,1%. “Estos resultados demuestran claramente que el sistema PIII puede aplicarse a la producción de células solares de contacto pasivado de óxido túnel basadas en obleas de tipo n”, afirman los académicos, que señalan que este sistema aún presenta un problema de contaminación por Fe (hierro) que debe resolverse para llevar la técnica propuesta a la producción comercial.

Los resultados se presentan en el estudio “Plasma immersion ion implantation for tunnel oxide passivated contact in silicon solar cell” (Implantación iónica por inmersión en plasma para el contacto pasivado de óxido de túnel en células solares de silicio), publicado en Solar Cell Materials and Solar Cells.