Tesis:
Célula solares de silicio para alta concentración: industrialización y células de contacto posterior
- Autor: CASTRO DELGADO, Marisa
- Título: Célula solares de silicio para alta concentración: industrialización y células de contacto posterior
- Fecha: 2009
- Materia: Ingeniería electrónica y automática. Electrónica
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: ELECTRONICA FISICA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/1466
- Director/a 1º: SALA PANO, Gabriel
- Resumen: El objetivo de esta tesis es el desarrollo de células de silicio para sistemas de concentración fotovoltaica. El punto de partida fue la confluencia de varios factores, incluyendo la existencia de una tecnología madura de concentración, con numerosos prototipos instalados pero sin presencia en el mercado y con una total escasez de células solares adecuadas a ellos, junto a una tecnología de células de silicio de alta eficiencia probada con éxito en el Instituto de Energía Solar para concentraciones de 100 soles.
Por otro lado, aunque casi todos los sistemas de demostración instalados utilizaban células de silicio, generalmente se hicieron con células de geometría y estructura especialmente adaptada a la óptica del mismo, con limitaciones de tamaño o máxima concentración a la que trabajar debido a la resistencia serie. Las estructuras de contacto posterior permitirían conectar varias células en módulos compactos sin áreas inactivas, eliminando ambas limitaciones.
En este trabajo abordaré dichos problemas complementarios. Por un lado, la industrialización de la fabricación de células; por otra parte, el desarrollo de un nuevo concepto de células de contacto posterior, célula CEP, manteniendo la metalización frontal y pasando la corriente a la cara posterior mediante un pequeño número de agujeros. Así se reducen la resistencia serie y el factor de sombra, aumentando la eficiencia de la célula. Relajamos de esta manera los requisitos de tiempo de vida efectivo final o el elevado número de agujeros de las células de contacto posterior sin metalización frontal.
Con respecto a la industrialización, en este contexto surgió la oportunidad de hacer la mayor producción de células de silicio de concentración que se habían hecho en el Instituto, por lo que establecimos una pequeña línea piloto para procesar obleas de 4". Presento aquí los resultados de esta primera producción en serie en nuestro laboratorio, demostrando que es posible hacerlo de forma fiable, repetitiva y económica. Describo el proceso inicial, los resultados de las primeras tandas y cómo solucionamos los diferentes problemas que se presentaron, especialmente el relacionado con la capa altamente resistiva que aparece al crecer la capa antirreflectante de SiO2 durante el paso de redistribución de impurezas. Finalmente, describo el proceso definitivo junto con los resultados de la producción y medida de más de mil células, logrando una eficiencia promedio a 100X del 18.5%, con más del 70% de células con eficiencias superiores al 18%. Utilicé los datos de rendimiento en producción y eficiencia para estimar el coste, entre 0.31 y 0.41 €/W incluyendo el silicio FZ de partida.
En cuanto a las células de contacto exclusivamente posterior, CEP, presento el concepto y el diseño de malla, con la estimación del número de agujeros necesarios y el aumento de eficiencia a que darían lugar al recolectar la corriente de forma distribuida en toda la oblea. Asimismo, estudio dos formas de hacer los agujeros necesarios para conectar ambas caras: el ataque químico anisotrópico con TMAH y el taladrado a alta velocidad con fresas de diamante. Este último proceso nos permite taladrar las células al final del proceso sin pérdida significativa de las características eléctricas de la célula, por lo que se puede simplificar mucho su fabricación. Finalmente, presento los primeros resultados de encapsulado de las células, que permitirían demostrar plenamente el concepto de célula CEP. Observamos un pequeño incremento en la eficiencia, pero sólo hasta concentraciones de 5X debido a la alta resistencia con el pegamento conductor utilizado para unir la célula al sustrato. Es necesario profundizar en este aspecto para aprovechar plenamente el potencial de este tipo de células.