Científicos de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW) en Australia investigaron el impacto de la degradación inducida por los rayos UV (UVID, por sus iniciales en inglés) en las células solares basadas en el diseño de contacto pasivado con óxido túnel (TOPCon).
Su análisis se centró, en particular, en el papel del hidrógeno y la dependencia de la longitud de onda en el rango UV, que describieron como ambiguo. «La UVID es una preocupación creciente debido al uso de encapsulantes transparentes a los rayos UV», explicó el autor principal de la investigación, Bram Hoex, a pv magazine. «Esto mejora la eficiencia de los módulos, pero también expone las células solares a la radiación UV durante su funcionamiento».
Los investigadores explicaron que, aunque todavía no existe un consenso científico sobre las causas de la UVID, la hipótesis principal es que está causada por fotones con una energía superior a 3,4 eV, que rompen los enlaces entre el silicio (Si) y el hidrógeno (H), creando así enlaces colgantes activos para la recombinación. Estos, a su vez, provocan pérdidas por recombinación, que afectan principalmente al voltaje de circuito abierto de la célula.
La novedad del estudio radica en el hecho de que los científicos consideraron por primera vez todo el espectro de radiación UV, que incluye la radiación UV-A, con longitudes de onda entre 315 y 400 nm y más cercana a la luz visible, y la radiación UV-B, una forma de radiación solar invisible y de alta energía con longitudes de onda entre 290 y 320 nm.
«Utilizamos la radiación UV-B para acelerar las pruebas de las células TOPCon en condiciones de laboratorio, lo que nos permitió realizar evaluaciones de fiabilidad más rápidas sin introducir nuevos modos de fallo», explicó Hoex, señalando que la radiación UV-B no se suele considerar un problema importante, ya que los encapsulantes disponibles comercialmente en la industria fotovoltaica bloquean eficazmente la radiación UV-B, lo que lleva a pensar que los módulos TOPCon están totalmente protegidos contra este posible mecanismo de degradación.
Sin embargo, la carrera por conseguir productos más eficientes está empujando a los fabricantes a utilizar encapsulantes con una mayor transmisión de rayos UV, lo que aumenta los riesgos. «Los rayos UV-B pueden degradar significativamente la pasivación de la superficie frontal de las células TOPCon, lo que provoca un aumento de la recombinación superficial», explicó Hoex. «Pueden acelerar la UVID en las células solares TOPCon, produciendo los mismos efectos de degradación que los rayos UV-A, pero a un ritmo mucho más rápido».
Para su análisis, los académicos utilizaron celdas TOPCon bifaciales disponibles en el mercado basadas en obleas de silicio Czochralski (Cz) de tipo n que miden 182 mm × 182 mm y tienen un espesor de 140 μm. Los dispositivos tenían un emisor difuso de boro en ambos lados, que estaba pasivado por una pila multicapa de 5 nm de óxido de aluminio (AlOx) depositada por deposición de capas atómicas (ALD), y una capa de nitruro de silicio (SiNx) como recubrimiento antirreflectante.
Los investigadores también utilizaron un sistema de lámparas UV-A y UV-B a una temperatura de 60 °C para aplicar una dosis total de 61,1 kWh/m2 de radiación UV-B y 49 kWh/m2 de radiación UV-A para la prueba. Analizaron, en particular, el comportamiento de las células antes y después de la liberación de hidrógeno de la capa de SiNx.
«Descubrimos que la degradación se produce principalmente en la superficie frontal del TOPCon, impulsada por la ruptura del enlace Si-H y la redistribución del hidrógeno, lo que aumenta la recombinación superficial, mientras que la superficie posterior muestra una fuerte resistencia a los rayos UV debido a que la capa de poli-Si dopada absorbe fotones por debajo de 370 nm», afirmó Hoex, señalando que no se observó degradación inducida por la luz y la temperatura elevada (LeTID) bajo la exposición a los rayos UV. «Los rayos UV alteran la dinámica del hidrógeno de una manera que suprime este defecto».
Los datos mostraron que la radiación UV rompe los enlaces Si-H en la interfaz AlOx/(p+)Si, lo que da lugar a un aumento de los iones de hidrógeno. «Sin embargo, el mecanismo exacto de esta interacción y los efectos a largo plazo de la distribución alterada del hidrógeno requieren una investigación más profunda», subrayaron los científicos.
El grupo de investigación afirmó que la industria debería considerar los rayos UV-B en las pruebas aceleradas de las células TOPCon en condiciones de laboratorio, lo que permitiría realizar evaluaciones de fiabilidad más rápidas sin introducir nuevos modos de fallo. Además, los fabricantes deberían aprovechar la protección UV en la parte posterior manteniendo un espesor suficiente de poli-Si en el diseño, al tiempo que utilizan encapsulantes resistentes a los rayos UV y capas de filtro UV para controlar la distribución del hidrógeno.
Sus hallazgos están disponibles en el estudio «UV-induced degradation in TOPCon solar cells: Hydrogen dynamics and impact of UV wavelength» (Degradación inducida por los rayos UV en las células solares TOPCon: dinámica del hidrógeno e impacto de la longitud de onda UV), publicado recientemente en Solar Energy Materials and Solar Cells.
Investigaciones previas realizadas por la UNSW mostraron los mecanismos de degradación de los módulos solares industriales TOPCon encapsulados con etileno-acetato de vinilo (EVA) en condiciones aceleradas de calor húmedo, así como la vulnerabilidad de las células solares TOPCon a la corrosión por contacto y tres tipos de fallas en los módulos solares TOPCon que nunca se detectaron en los paneles PERC. Además, los científicos de la UNSW investigaron la degradación inducida por el sodio de las células solares TOPCon bajo exposición a calor húmedo y el papel de los «contaminantes ocultos» en la degradación tanto de los dispositivos TOPCon como de los de heterounión.
Por otra parte, otro estudio de la UNSW evaluó recientemente el impacto del fundente de soldadura en las células solares de heterounión y descubrió que la composición de este componente es clave para prevenir grietas importantes y desprendimientos significativos.
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