La fotovoltaica bifacial es una tecnología que requiere cambios específicos en tres etapas de la cadena de valor fotovoltaica: células, módulos y obleas. En este primer de tres artículos desde Techno Sun resumimos los cambios y desarrollos relacionados con las células de los paneles bifaciales.
El nivel de las células es, obviamente, donde todo empieza a cambiar para hacer la fotovoltaica bifacial. Las posibilidades de elección son amplias, ya que cualquier paso de la tecnología BSF estándar a cualquiera de las tecnologías de células avanzadas es válido para la bifacialidad. Se puede elegir entre las tres principales arquitecturas de células comerciales: PERC de tipo p, la corriente principal y los tipos de células de alta eficiencia basados en obleas de tipo n, como la heterounión (HJT), y la arquitectura de células de contactos pasivados relativamente nueva, comúnmente llamada TOPCon. Con cierta optimización, incluso la estructura de célula IBC es un candidato idóneo para la energía solar bifacial.
Sin embargo, cada una de estas arquitecturas celulares muestra un grado diferente de bifacialidad. La HJT es la más eficaz, mostrando una bifacialidad superior al 90%, seguida de la arquitectura n-PERT con una bifacialidad de hasta el 90%. Sin embargo, las capacidades de producción de PERC, cada vez mayores, están creando un amplio acervo de conocimientos para la tecnología contribuyendo a alcanzar eficiencias mayores que el nivel común de PERx de tipo n. Como resultado, los seguidores de los n-PERx se ven obligados a mirar más allá de sus tecnologías.
TOPCon es una tecnología prometedora en este sentido. Casi todos los seguidores de la tecnología n-PERx ya han actualizado o están en proceso de actualización a TOPCon. En lo que respecta a la bifacialidad de la arquitectura de las células TOPCon, ésta sufre una bifacialidad ligeramente inferior, de alrededor del 80%. La estructura de célula IBC, que lleva los contactos de ambas polaridades en la parte trasera, también puede ajustarse para que sea bifacial. La estructura ZEBRA de ISC Konstanz tiene una bifacialidad de aproximadamente el 70%. La estructura PERC es la más baja, con una bifacialidad del 65% al 75%.
p-PERC
El PERC se ha establecido como el nuevo estándar en la tecnología de células solares, y las principales marcas, como Red Solar o LONGi, usan este tipo de células para sus módulos fotovoltaicos. También es una buena noticia para las bifaciales, ya que es muy fácil actualizar el PERC a la tecnología bifacial. La capacidad bifacial del PERC es quizá una característica importante que también ha contribuido a que la tecnología se extienda y reine más de lo que muchos preveían.
El PERC es el candidato más sencillo y rentable para las bifaciales. Pero a diferencia de otras estructuras celulares avanzadas, el PERC no es bifacial por defecto. Esto se debe a que la estructura de celdas PERC estándar contiene una capa local opaca de pasta de aluminio que forma el BSF en la parte posterior. Sin embargo, el paso para convertir el PERC en una célula solar bifacial es bastante sencillo, es decir, aplicar una rejilla de aluminio en lugar de extender la pasta por toda el área. Para ello se necesitan pastas de aluminio específicas diseñadas para imprimir puntos, en lugar de los productos que se utilizan para imprimir toda el área. Ahora, hay varios fabricantes de pasta que ofrecen pastas de aluminio que pueden soportar PERC bifacial.
Otra ventaja de este enfoque es que evita el uso de plata en la cara posterior, mientras que la mayoría de las demás estructuras bifaciales necesitan plata en ambas caras. El cambio de PERC a bifacial también requiere cierta optimización en las áreas de la capa de recubrimiento de nitruro de silicio de la pila de pasivación trasera y la apertura por láser de las capas de pasivación trasera.
La principal área de optimización de la estructura bifacial PERC es la rejilla de aluminio trasera. Las primeras células bifaciales PERC sufrían de bajas eficiencias traseras, principalmente debido al empleo de puntos formados con una pasta de aluminio, que tiene una menor conductividad en comparación con la plata. Por ello, se imprimen puntos relativamente más anchos para conseguir una conductividad razonable. Esto provoca un sombreado de entre el 30% y el 40% en la parte trasera, lo que a su vez se traduce en mayores pérdidas. Pero esto está cambiando con las pastas de aluminio mejoradas que cada vez llegan más al mercado.
Y, efectivamente, las pastas de aluminio han hecho grandes avances en este campo. En los tiempos de la creación del PERC bifacial, la anchura de los puntos de aluminio era de unos 200 μm. La práctica actual en el sector es imprimir a través de una abertura de pantalla de 100 μm que da lugar a anchos de dedo de 120 a 160 μm. Esto es principalmente para compensar cualquier sesgo en la apertura del láser de la capa de pasivación trasera. Las pastas mejoran continuamente y pronto la anchura de los puntos de aluminio no será mucho mayor que la del patrón de metalización frontal a base de plata. El estrechamiento de los puntos de aluminio reduce el sombreado, mejorando así la bifacialidad.
Por otro lado, la reducción de la anchura de los puntos de aluminio no siempre es una buena noticia. Pasar a puntos más finos aumenta la resistencia, ya que la resistividad específica del aluminio es bastante alta, unas 6 veces la de la plata. Por esta razón, los fabricantes de baterías deben tener cuidado al reducir la anchura de los puntos. Lo que podría ser interesante en este contexto es combinar el concepto de PERC bifacial con un diseño de barras múltiples. Las barras múltiples ayudan a reducir la longitud de los puntos de aluminio, lo que limita el impacto de las líneas de rejilla en el aumento de la resistencia. En otras palabras, las multibarras permiten imprimir puntos muy estrechos sin entrar en problemas de resistencia en serie.
Casi todos los fabricantes fotovoltaicos activos en el campo de los PERC ofrecen también productos bifaciales, ya que la bifacialidad es una ventaja "gratuita" para cualquier producto PERC y el beneficio se traslada a los clientes.
Contactos n-PERT y pasivados
Aunque el PERC ha sido el mayor avance en la corriente bifacial, también tiene sus limitaciones como tecnología y en relación con la energía solar bifacial. El PERC está subiendo la escalera de la eficiencia tan rápidamente que se espera que alcance el límite práctico muy pronto, y el impulso bifacial que ha supuesto el PERC ha sido una ventaja. La bifacialidad del PERC fue bastante buena durante la fase de desarrollo de esta tecnología de células, pero sus capacidades bifaciales siguen siendo limitadas en comparación con sus pares. Ahora la industria está saboreando las oportunidades bifaciales, especialmente en aplicaciones específicas como las instalaciones en el desierto. Y acondicionar el terreno para aumentar el albedo no es muy complicado.
La industria ya ha estado evaluando arquitecturas de células basadas en obleas de tipo n, y el n-PERT ha estado en el radar de algunos participantes de la industria. Aunque la tecnología presenta una bifacialidad próxima a ser la mejor, del 80% al 90%, ha perdido la batalla de la eficiencia con el PERC. Las eficiencias medias de las células con PERC de tipo p son ahora superiores a las de las células n-PERT, al menos en un puñado de casos. Y el mayor precio de las obleas de tipo n, que es entre un 3% y un 5% más caro que el de las de tipo p, tampoco favorece al n-PERT.
La tecnología TOPCon es el siguiente paso en la evolución de los seguidores de n-PERT. También es una posible actualización de TOPCon para los fabricantes de PERC con pocos cambios en sus líneas de procesamiento existentes. Sin embargo, TOPCon también tiene sus propias limitaciones, especialmente en lo que respecta a la energía solar bifacial. Una de las limitaciones inherentes a las células de contacto pasivo es su baja bifacialidad, debida a la absorción de luz en la película de polisilicio dopado. En la etapa actual, la bifacialidad de alrededor del 80% es inferior a la típica n-PERT cuando se utiliza plata, pero mejor que la PERC (alrededor del 75%). El uso de pasta de aluminio en lugar de plata en la cara posterior, una opción que se está evaluando, puede reducir aún más la bifacialidad. Y, al igual que ocurre con otras estructuras de celdas de tipo n, las celdas de contacto pasivado que suelen implementarse en sustratos de tipo n también utilizan plata en ambas caras, lo que canibaliza parte de sus ventajas de rendimiento.
Heterojunction (HJT)
La heterojunction no es sólo otra estructura de célula de alta eficiencia, sino que también cuenta con la mejor bifacialidad. La tecnología HJT suele presentar la mayor bifacialidad de todas las tecnologías avanzadas de células cristalinas, llegando a superar el 90%. Esto se debe a su estructura simétrica y a la superioridad del atributo de pasivación de la estructura también en la cara posterior. Sin embargo, al igual que ocurre con otras arquitecturas de células de tipo n, la HJT también requiere un patrón de metalización a base de plata en ambas caras para ser bifacial, lo que supone un mayor consumo de plata y un aumento del coste. Otro inconveniente de la HJT es que utiliza pastas curadas a baja temperatura, lo que significa que su consumo de pasta es elevado para conseguir buenos niveles de conductividad. Pero hay formas alternativas: interesantes opciones de metalización, como el chapado, o el empleo de enfoques de interconexión innovadores, como el MBB, pueden reducir considerablemente el consumo de pasta.
Otras tecnologías de célula fotovoltaica
El IBC es el líder indiscutible en eficiencia entre las tecnologías comerciales de células de silicio. Además de estas tecnologías disponibles en el mercado, los investigadores están trabajando en diferentes arquitecturas de células. Un ejemplo interesante es la aplicación de una estructura de contactos pasivados en la cara posterior de las PERC de tipo p en una configuración de unión posterior.
Conclusión
En resumen, el PERC es la tecnología de células solares más rentable en la actualidad. Aunque no es naturalmente bifacial, puede convertirse fácilmente sin costes adicionales. La mayoría de los módulos bifaciales actuales utilizan PERC, lo que ha contribuido a impulsar la comercialización de la tecnología bifacial a una escala notable. El paso a tecnologías de células más avanzadas también dará lugar a mayores beneficios de la bifacialidad. Esta mayor selección ofrece a los promotores y a los EPC la oportunidad de elegir una tecnología de células en función de los lugares de instalación. Si el albedo del emplazamiento es bajo, las tecnologías de células como PERC o IBC son suficientes. Pero las regiones con mucha nieve o las instalaciones sobre tejados pintados de blanco pueden beneficiarse mucho de las tecnologías de alta bifacialidad, como la HJT.
En Techno Sun tenemos una gama de paneles solares bifaciales de alta calidad con marcas reconocidas como Red Solar o LONGi.
Consulta la segunda parte Tecnología de la fotovoltaica bifacial (II): Módulos bifaciales
Consulta la tercera parte Tecnología de la fotovoltaica bifacial (III): Obleas
Fuente: Taiyang News
Tecnología de la fotovoltaica bifacial (I): Células