Eficiencia en paneles: Tan simple como IBC

Fuente: https://www.pv-magazine.com/

La búsqueda de una eficiencia de conversión cada vez mayor ha llevado a los investigadores solares a centrarse en enfoques de células de contacto posterior, y los esfuerzos para diseñar una fabricación más rentable están incorporando tecnologías como la solar de contacto posterior interdigitado (IBC) en la corriente principal, como informa Mark Hutchins.

Los módulos con celdas Zebra de ISC Konstanz se instalan en un ferry que lleva pasajeros a través del lago de Constanza en el sur de Alemania.

Foto: ISC Constanza

Las celdas solares IBC se concibieron en la década de 1970 y la idea detrás de ellas es simple: mover todos los contactos, la metalización y otros mecanismos internos de la celda hacia la parte posterior, dejando la capa activa frontal sin obstrucciones y abierta a más luz solar.

Ese enfoque garantiza que IBC y otros dispositivos de contacto posterior puedan acercarse al límite práctico para la eficiencia de conversión de celdas de silicio de unión única que otras arquitecturas de celdas. Ese objetivo los ha mantenido enfocados para los investigadores, con muchas de las mayores eficiencias en el laboratorio provenientes de estructuras de contacto posterior.

Sin embargo, el procesamiento de células de contacto posterior a escala ha resultado difícil y costoso. La falta de adopción resultante significa que las comparaciones con los enfoques convencionales son difíciles. “Como la escala del contacto posterior es pequeña y se usa principalmente en proyectos de generación distribuida que buscan una mejor apariencia, tiene una prima más alta”, dice Corrine Lin, analista jefe de la empresa de inteligencia de mercado de energías renovables InfoLink. “Según el precio de los productos de los fabricantes actuales, generalmente hay una prima de $ 0.01/W, o incluso más, en comparación con PERC [solar de contacto posterior con emisor pasivado]. Sin embargo, no hay un índice de primas claro debido a los volúmenes de negociación más pequeños y a los diferentes mercados objetivo».

La mayoría de los grandes fabricantes tomaron una ruta más simple para aumentar la eficiencia, pero con vías más rentables acercándose al agotamiento, y los investigadores del Instituto de Investigación de Energía Solar de Hamelín de Alemania calcularon el año pasado que los dispositivos de contacto posterior podrían alcanzar una eficiencia del 29,1%, los intentos renovados de comercializar back-contact las células de contacto están en marcha.

Ventaja IBC

La empresa estadounidense SunPower Corporation fabricó celdas IBC durante más de 20 años. Sus productos han sido particularmente exitosos en el mercado residencial, donde la apariencia estética y la eficiencia y confiabilidad superiores son altamente valoradas, lo que resulta en una prima de precio. En 2020, SunPower separó su negocio de fabricación para formar una nueva empresa, Maxeon Solar Technologies, que sigue fabricando productos IBC con las marcas SunPower y Maxeon.

Doug Rose, vicepresidente de estrategia tecnológica de Maxeon, explica que la estructura de contacto posterior permite la optimización total de la superficie frontal, maximizando la entrada de luz a la celda y minimizando la recombinación, en lugar de tener que optimizar también la cobertura de metal y la conducción lateral a los dedos de metal. . En la parte trasera, el IBC brinda la oportunidad de un metal más grueso, lo que resulta en una menor resistencia en serie.

Rose agrega que, junto con la eficiencia, la confiabilidad superior también es un enfoque para Maxeon, y tener un producto premium le permite elegir diseños y materiales que dan como resultado una confiabilidad mejor que la estándar: ofrece una garantía de producto de hasta 40 años en algunos mercados.

Una ventaja clave de los productos IBC de Maxeon es que tienen un comportamiento de polarización inversa único e inocuo. Esto evita los puntos calientes, que pueden dañar las celdas y los módulos, incluso en sombra parcial con diodos de módulo que han fallado. “Creemos que esto proporciona valor y diferenciación adicionales y hemos puesto mucho esfuerzo en extender la ventaja en esta área en nuestra próxima generación”. Rose explica además que la capacidad de hacer esto es otra ventaja inherente de la tecnología de contacto trasero, aunque no está presente en todas las arquitecturas de contacto trasero.

Estado de la situación

Hay grandes esperanzas para la energía solar de contacto posterior. Radovan Kopecek, cofundador y director del instituto alemán International Solar Energy Research Center (ISC) Konstanz, dijo a  pv magazine en noviembre que los módulos IBC podrían superar a los productos TOPCon (túnel de óxido, contacto pasivado) para 2028 y constituir la mitad del mercado en 2030. Otros observadores del mercado son menos optimistas, pero están de acuerdo en que las tecnologías de contacto posterior probablemente verán un crecimiento en los próximos cinco años.

“Las mejoras paso a paso de los procesos de fabricación y la eficiencia están dando lugar a una reducción gradual de los costos de la mayoría de las tecnologías de contacto posterior”, dice Karl Melkonyan, analista de investigación sénior de la empresa de inteligencia empresarial S&P Global Commodity Insights. “Sin embargo, una reducción significativa de costos requerirá más tiempo para desarrollarse por completo. Esto podría ser una reducción considerable en el consumo de plata; o sustitución total por cobre o aluminio; o mejoras adicionales en los procesos de interconexión de celdas y soldadura, y otras mejoras en la eficiencia, el rendimiento y el rendimiento”.

S&P Global pronostica que la energía solar de contacto posterior podría alcanzar una participación de mercado del 15% en los próximos cinco años. InfoLink espera un crecimiento de alrededor del 5% durante los próximos dos o tres años, pero poco después de eso. “A largo plazo, es poco probable que su participación de mercado alcance la escala de PERC o TOPCon debido a su proceso complejo y costos de fabricación más altos”, dice Lin de InfoLink. “Aunque todavía hay demanda de contacto trasero, debido a su alta eficiencia y mejor apariencia, es poco probable que su cuota de mercado alcance el 10 %”.

Maxeon ha estado buscando tales mejoras en el proceso de fabricación. “Maxeon tiene un proceso completamente patentado con una gran cantidad de patentes que protegen el enfoque”, dice David Smith, científico del centro de investigación y desarrollo de Maxeon en California. “Los procesos que tenemos en producción piloto en la actualidad utilizan equipos mucho más convencionales, por lo que podemos seguir los pasos de la industria TOPCon. Usamos estas herramientas a gran escala y de alto rendimiento tanto como sea posible y nuestra nueva generación usa una fracción más alta que nunca”.

Guardar y escalar

Maxeon, sin embargo, todavía se enfoca en los clientes que pagarán una prima por el rendimiento y la estética, y dice que continuará enfocándose en sus productos diferenciados, incluso si comienzan a surgir tecnologías IBC más convencionales.

ISC Konstanz cree que se pueden cumplir las reducciones de costos necesarias para respaldar sus expectativas alcistas de IBC. El centro de investigación ha desarrollado celdas IBC «Zebra» que están en el mercado a través de socios de fabricación en Europa y Asia, y continúa reduciendo los costos de producción y aumentando la eficiencia.

“Nuestro objetivo es estar, desde el punto de vista de la estructura de costos, lo más cerca posible de la tecnología estándar”, dice Joris Libal, gerente de proyectos de transferencia de tecnología de ISC. “Queremos comenzar con procesos económicos, directamente desde la caja de herramientas, y llegar a altas eficiencias”.

Valentin Mihailetchi, líder del grupo de investigación y desarrollo de células de tipo n [dopadas negativamente] en ISC Konstanz, continúa explicando que las células Zebra se fabrican utilizando procesos convencionales que incluyen difusión en tubos, metalización serigrafiada, deposición de vapor químico mejorada con plasma y ablación con láser, y agrega , “Se trata de usar procesos que ya están establecidos, solo que de una manera ligeramente diferente”. Ese enfoque podría generar beneficios más amplios, ya que la arquitectura de contacto posterior se puede combinar con contactos de pasivación y otros diseños de celdas, lo que ofrece otra ruta hacia la producción en masa.

consumo de plata

Además de los costos de procesamiento, las celdas IBC requieren contactos de plata para ambas polaridades. “En comparación con PERC de tipo p [dopado positivamente], tal vez haya un 5 % más de costo para la oblea y una ligera diferencia en la depreciación del equipo porque hay un poco más de equipo en comparación con PERC o TOPCon”, dice Libal. “La principal diferencia es el costo del metal”.

Sin embargo, con menos necesidad de hacer que sus dedos traseros sean lo más delgados posible en las celdas de contacto posterior, ISC Konstanz está utilizando pasta de cobre en lugar de plata en su proceso de serigrafía. Los fabricantes convencionales, por el contrario, necesitan avanzar más en los procesos de cobreado para reducir el contenido de plata.

Si bien las celdas IBC de ISC Konstanz aún requieren algo de plata para los contactos (el cobre no puede estar en contacto directo con el silicio), Libal dice que el consumo de plata se puede reducir por debajo de 5 mg/W de capacidad de generación de celdas. Esa es una fracción de la cantidad utilizada en las celdas PERC y TOPCon y ayudaría a aliviar las preocupaciones de la industria sobre el suministro de plata.

El instituto de investigación está avanzando con su proceso de serigrafía de cobre y dice que hasta ahora ha logrado buenos resultados en las pruebas aceleradas. “La celda Zebra IBC con metalización de cobre será un gran avance que, en última instancia, reducirá el costo de IBC por debajo del PERC, con una eficiencia aún muy superior”, dice Libal. “Cuando se cumplen estos parámetros clave de costo y rendimiento, es cuando esto realmente funciona”.