Células solares de heterounión de silicio de estructura no convencional (CHENOC)

Actualmente dos tercios de la electricidad producida a nivel mundial proviene de combustibles fósiles. Con el fin de disponer de energía limpia en el futuro, es necesario que las energías renovables lleguen a dominar la producción de electricidad. Entre éstas, la conversión fotovoltaica de la luz del sol es una de las que ha experimentado un crecimiento más importante en la última década. La investigación en dispositivos fotovoltaicos se orienta hacia las tecnologías que resultan competitivas frente a las fuentes de energía tradicionales. A pesar de la aparición de nuevas tecnologías basadas en diversos materiales en lámina delgada, las que se basan en el silicio cristalino son las que dominan el mercado. Dentro de las células fotovoltaicas fundamentadas en el silicio cristalino, las heterouniones ya son las que permiten alcanzar eficiencias más elevadas. En estas estructuras se utilizan láminas delgadas de silicio amorfo dopado del tipo p y el tipo n, depositadas sobre las dos caras de la oblea para actuar como láminas selectoras de huecos y electrones respectivamente. Se trata de una tecnología de baja temperatura compatible con el uso de obleas delgadas. La pasivación superficial es intrínseca a la estructura de heterounión, que puede cubrir toda la superficie del dispositivo en estructuras bifaciales. Esta simplicidad contrasta con las células solares de alta eficiencia tradicionales, que requieren múltiples pasos de grabado. Aun así, el mercado todavía está dominado por la tecnología tradicional de difusión. Una de las razones que explican la limitada implantación de la tecnología de heterounión es la necesidad de utilizar sistemas de depósito relativamente complejos, además de gases peligrosos.

En este proyecto exploraremos estructuras de heterounión no convencionales, en busca de alternativas al silicio amorfo. Hay materiales que, sobre una base de silicio, extraen selectivamente un tipo de portador de carga, dando lugar a capas transportadoras de huecos o de electrones, que se denominan «contactos selectivos». Sobre una capa absorbente de silicio, el depósito de contactos selectivos complementarios en cada electrodo produce una célula solar. Aunque se trate de un campo muy reciente, ya se han fabricado dispositivos de alta eficiencia. Los materiales que pueden actuar como contactos selectivos son accesibles y pueden depositarse mediante técnicas simples como la evaporación o la pulverización catódica.

Dentro del proyecto también se explorarán alternativas a la capa absorbente de silicio. El coste de las obleas de silicio empleadas en la tecnología tradicional representa alrededor del 40% del coste del módulo. La reducción del grosor de las obleas para abaratar el coste es un problema tecnológico que todavía no se ha resuelto. Como alternativa, nos proponemos investigar el uso de capas absorbentes de silicio obtenidas a partir de la recristalización con láser de silicio depositado, o de la pasivación en volumen de obleas de silicio multicristalino.
Además de células de heterounión no convencionales, está previsto desarrollar nuevos procesos de fabricación basados en tecnología láser. Un primer proceso será la metalización basada en la transferencia de pastas metálicas desde un sustrato portador a la célula mediante técnicas de escritura láser, seguida de la sinterización mediante radiación láser. El objetivo es desarrollar una tecnología de metalización interesante desde el punto de vista industrial y compatible con estructuras de baja temperatura. Se estudiarán también los procesos de grabado con láser para fabricar células con contactos posteriores interdigitados.

Esta investigación está financiada a través de la Convocatoria 2016 del Programa Estatal de Investigación, Desarrollo e Innovación Orientada a los Retos de la Sociedad (MINECO) y se relaciona con el ODS 7: garantizar el acceso a una energía asequible, segura, sostenible y moderna para todos. Se trata de un proyecto coordinado en el que, además de la Universitat de Barcelona, participan la Universitat Politècnica de Catalunya (coordinador), el CIEMAT y la Universidad Politécnica de Madrid.