Investigadores del fabricante chino de productos solares Longi estudiaron los mecanismos físicos que intervienen en el enmascaramiento de bordes en células solares de alta eficiencia y descubrieron que esta técnica reduce la recombinación en los bordes al restringir el transporte lateral de portadores de carga.

El enmascaramiento de bordes es una técnica de medición de laboratorio en la que se cubre el perímetro de una célula solar con un material opaco para impedir que la luz ilumine sus bordes, lo que reduce las pérdidas por recombinación y puede aumentar la eficiencia de conversión medida.

«Nuestro punto de partida fue una preocupación práctica sobre cómo se mide la eficiencia», explicó a pv magazine Genshun Wang, investigador de Longi. «En un estudio anterior sobre células de alta eficiencia con contactos posteriores, descubrimos que el borde de la oblea era una importante vía de pérdida de corriente y que enmascarar el borde durante las pruebas aumentaba considerablemente la eficiencia medida: del 26,74 % sobre el área total al 27,09 % sobre el área de iluminación definida».

Wang explicó que, aunque el enmascaramiento de bordes se utiliza ampliamente en las mediciones de eficiencia récord de células solares, especialmente en dispositivos de pequeña superficie, sus mecanismos físicos subyacentes no se han comprendido por completo.

«Los trabajos anteriores habían tratado la región enmascarada como una protección geométrica o como un sumidero oscuro en paralelo dentro de un circuito equivalente de parámetros concentrados, sin profundizar demasiado en el transporte de portadores de carga», señaló. «Comprender este mecanismo proporciona orientaciones para el diseño, ya que permite cuantificar la anchura óptima de enmascaramiento para que un diseño adecuado de la rejilla de contactos permita obtener una mayor ganancia de eficiencia mediante el enmascaramiento».

En el artículo «The influence of edge masking on the optoelectronic performance in back contact silicon solar cells» (La influencia del enmascaramiento de bordes en el rendimiento optoelectrónico de las células solares de silicio con contactos posteriores), publicado en Solar Energy Materials and Solar Cells, los investigadores demostraron que el enmascaramiento crea una región oscura y eléctricamente resistiva que limita el movimiento de los portadores de carga hacia el perímetro de la célula.

«Este estudio demuestra que el enmascaramiento provoca una transición de una zona iluminada a otra oscura en la región enmascarada, que se convierte en una zona oscura resistiva y refuerza lo que denominamos una “barrera resistiva”», explicó Wang. «Esa barrera dificulta el transporte lateral de portadores de carga hacia el borde físico, lo que reduce la recombinación en los bordes y permite obtener una mayor eficiencia».

Los investigadores también estudiaron si las modificaciones en la disposición de la metalización podrían mejorar aún más el rendimiento de las células. «Nuestro modelo predice, además, que eliminar la metalización en la zona enmascarada, es decir, aplicar una metalización selectiva, interrumpe la vía de transporte restante a lo largo de la rejilla de contactos y aísla la carga eléctrica de la región oscura del borde, con mejoras tanto en el factor de llenado como en el voltaje de circuito abierto», señaló Wang.

Sin embargo, Wang subrayó que este procedimiento está destinado a la caracterización de laboratorio y no a la fabricación comercial. «Es importante destacar que no se trata de una tecnología de producción», afirmó. «La metalización selectiva añade complejidad al proceso y la zona enmascarada no genera electricidad, por lo que disminuye el aprovechamiento de la superficie total de la célula. En la práctica, es un método de ensayo de laboratorio: al eliminar la contribución de los bordes, permite evaluar con mayor fiabilidad otros factores de pérdida».

Mediante su análisis, los investigadores comprobaron que el enmascaramiento del perímetro de la célula reduce las pérdidas por recombinación en los bordes y mejora la eficiencia de conversión de energía, principalmente gracias al aumento del factor de llenado. El efecto fue más pronunciado en las células sin pasivación de bordes, que mostraron una mejora de eficiencia de aproximadamente 0,2 puntos porcentuales.

Los experimentos identificaron una anchura óptima de enmascaramiento de 5 mm, mientras que las máscaras más anchas, de 10 mm y 15 mm, redujeron la eficiencia debido al aumento de la superficie inactiva y de las pérdidas eléctricas asociadas. Los investigadores también observaron que la densidad de corriente de cortocircuito aumentaba inicialmente con la anchura del enmascaramiento, mientras que el voltaje de circuito abierto disminuía.

Mediante simulaciones realizadas con Quokka 3, el equipo demostró que el enmascaramiento crea una transición entre una región iluminada y conductora y una zona oscura y resistiva cerca del perímetro de la célula. Esto refuerza una barrera resistiva que restringe el transporte lateral de portadores de carga hacia el borde físico y, de este modo, reduce las pérdidas por recombinación.

Otras simulaciones mostraron que los portadores de carga todavía pueden alcanzar la región enmascarada a través de las líneas metálicas de la rejilla de contactos, lo que limita las mejoras de eficiencia. Para resolver este problema, los investigadores propusieron eliminar selectivamente la metalización de la zona enmascarada con el fin de aislar eléctricamente el borde.

El equipo de investigación también contó con científicos del campus de Shenzhen de la Universidad Sun Yat-sen, en China.