Un gruppo di ricercatori del Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE guidato da Armin Richter ha raggiunto un’efficienza di conversione record del 26,0% per le celle fotovoltaiche in silicio con collegamenti su entrambi i lati.
Nell’articolo pubblicato di recente su Nature Energy “Regole di progettazione per celle solari in silicio ad alta efficienza a contatto con entrambi i lati con trasporto del vettore di carica bilanciato e perdite di ricombinazione”, Richter spiega la struttura della cella da record e presenta aspetti fondamentali relativi alla progettazione che portano a efficienze ancora più elevate. Chiave del successo raggiunto è stato il disegno della superficie della cella sul lato posteriore come portatore di carica a tutta la superficie che raccoglie il contatto passivante.
Con una quota di oltre il 90%, le celle fotovoltaiche in silicio cristallino dominano il mercato fotovoltaico globale. Grazie ai progressi tecnologici degli ultimi anni, la loro efficienza si è già avvicinata molto al limite di efficienza teorico del silicio cristallino (29,4%). In precedenza, efficienze record di circa il 26% erano limitate alle celle solari con entrambi i contatti metallici nella parte posteriore, il cosiddetto “contatto posteriore interdigitato”, o IBC. Le celle solari a contatto su entrambi i lati, tuttavia, sono state stabilite come standard del settore e sono diventate la scelta preferita nella produzione industriale a causa della loro minore complessità.
Con un nuovo approccio per le celle fotovoltaiche a contatto su entrambi i lati, i ricercatori del Fraunhofer ISE hanno dimostrato che è anche possibile ottenere le massime efficienze per questo tipo di cella solare.
La base per la realizzazione della cella è la tecnologia “TOPCon” (Tunnel Oxide Passivating Contact). Sviluppata presso Fraunhofer ISE, questa tecnologia combina i vantaggi di perdite di ricombinazione superficiale molto basse con un trasporto efficiente del vettore di carica. Mentre le celle standard industriali hanno una giunzione “pn” sul lato anteriore, la giunzione “pn” nella nuova cella è stata formata sul lato posteriore come un contatto “TOPCon” su tutta la superficie. Il drogaggio con boro su tutta la superficie sul lato anteriore non era più richiesto in modo da implementare solo una diffusione di boro locale direttamente sotto i contatti sul lato anteriore.
La cella “TOPCoRE” (cella solare con emettitore posteriore TOPCon) consente tensioni in uscita più elevate e fattori di riempimento più elevati rispetto alle celle con un emettitore di raccolta sul lato anteriore.
Con questo design della cella, il wafer di silicio può essere utilizzato meglio per il trasporto del portatore di carica e il lato anteriore è più efficacemente passivato, per il quale viene utilizzato l’ossido di alluminio.
Un’analisi dettagliata della perdita di potenza mostra che questa cella generalmente compensa e minimizza le perdite di trasporto di elettroni e lacune, nonché le perdite di trasporto e di ricombinazione.
«Sulla base di un’analisi sistematica basata sulla simulazione, siamo stati in grado di derivare alcune regole di progettazione fondamentali per le future celle solari al silicio ad alta efficienza con un’efficienza superiore al 26% – spiega il prof. Stefan Glunz, direttore della divisione di ricerca sul fotovoltaico presso Fraunhofer ISE -. Le celle solari a contatto su entrambi i lati hanno il potenziale per raggiungere efficienze fino al 27% e superano così il precedente record mondiale di celle solari al silicio».
Questa struttura di celle, sviluppata al Fraunhofer ISE, ha un grande vantaggio in quanto la successiva fase di produzione – collegare le celle solari per formare un modulo – può essere basata su tecnologie esistenti, consentendo così l’uso di molte tecniche standard a costi ridotti.
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