Las células solares de silicio cristalino representan aproximadamente el 97 % del mercado mundial. Reducir el consumo de plata es clave para alcanzar los objetivos futuros de producción y costos. El cobre es un sustituto ideal de la plata debido a su bajo costo, abundantes reservas y resistividad similar a la de la plata. Sin embargo, presenta problemas como su fácil oxidación, difusión en silicio y una vida útil reducida de los portadores minoritarios. Este estudio reduce la degradación de las células metalizadas con cobre y mejora su confiabilidad al optimizar las propiedades de la pasta de cobre.

Métodos de investigación

Diagrama esquemático de una celda PERC de emisor selectivo

Preparación de células: Las células PERC de emisor selectivo se prepararon en obleas de silicio monocristalino tipo p de tamaño M6 (166 mm×166 mm). Las líneas de la rejilla frontal fueron serigrafiadas con pasta de cobre, y la parte posterior fue un contacto de aluminio (Al) con aberturas de contacto locales.

Proceso de metalización: La metalización se realiza en dos pasos. Primero, se imprime el aluminio en la parte posterior de la oblea de silicio, se seca y se sinteriza a aproximadamente 751 °C.°C, seguido de la impresión de la línea de cuadrícula frontal y sinterización a aproximadamente 630°C. Al mismo tiempo, se preparó una celda de referencia con impresión frontal de plata utilizando la misma oblea de silicio y una temperatura de co-sinterización de 751°C.

Imagen de microscopio electrónico de barrido de una sección transversal de un dedo de cobre.

Propiedades de la pasta de cobre: La temperatura máxima de sinterización optimizada de la pasta de cobre es de aproximadamente 630°C, y la resistividad es de aproximadamente 2-3×10^-5 Ω·cm. La sección transversal del dedo de cobre se analizó mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDS), y se encontró que el ancho del dedo de cobre era de aproximadamente 100μm, la altura era 28,7μm, y la relación de aspecto era 0,27.

Análisis EDS de diferentes versiones de pasta de cobre

Versión inicial de la pasta de cobre: ​​Esta versión inicial presenta una gruesa capa de óxido entre el cobre y el silicio. Esta gruesa capa de óxido aumenta la resistencia en serie del... célula solar, dificulta la transmisión de portadores, no favorece la mejora de célula solar rendimiento y conduce a una disminución en la eficiencia de conversión fotoeléctrica del célula solar.

Nueva versión de pasta de cobre: ​​La capa de óxido de la nueva versión de pasta de cobre es más delgada. Este cambio estructural promueve la transmisión de portadores y facilita la conducción de corriente dentro del... célula solar Más suave. Al mismo tiempo, la capa de óxido sigue siendo lo suficientemente gruesa como para actuar como barrera y evitar que el cobre se difunda en el silicio, lo que garantiza que... célula solar Todavía puede funcionar de manera confiable y mantener un buen rendimiento después de 1500 horas de pruebas de calor húmedo.

Análisis del rendimiento eléctrico

Distribución de parámetros IV de un grupo de 100 celdas PERC a diferentes temperaturas máximas de sinterización

Las 100 celdas se dividieron en tres grupos, cada uno correspondiente a una temperatura máxima de sinterización diferente: 590°C, 610°C, y 630°C.

Voc: El Voc muestra una ligera tendencia al alza con el aumento de la temperatura de sinterización. Esto indica que una temperatura de sinterización más alta puede contribuir a aumentar la tensión de circuito abierto del... célula solar.

Jsc: Jsc no cambia mucho a diferentes temperaturas de sinterización, lo que indica que la temperatura de sinterización tiene poco efecto en la densidad de corriente de cortocircuito.

FF: FF es el más alto a una temperatura de sinterización de 630°C, lo que indica que la temperatura de sinterización optimizada puede aumentar significativamente el factor de llenado del célula solar, mejorando así la eficiencia general.

Eficiencia a diferentes temperaturas de sinterización: 590°C, la eficiencia es baja, no se proporciona el valor específico, pero se puede inferir que es inferior al 19,25%. 610°C, la eficiencia ha aumentado, pero aún es menor que la eficiencia a una temperatura de sinterización de 630°C. 630°C, la eficiencia es la más alta, alcanzando el 19,25%.

Distribución de resistencia en serie de celdas de tamaño M6 metalizadas de cobre Resistencia en serie

Resistencia en serie (Rs): la codificación por colores muestra los valores de resistencia en serie ​​de diferentes áreas de la celda. Los colores más oscuros indican una mayor resistencia en serie, mientras que los colores más claros indican una menor resistencia en serie. La resistencia en serie es un parámetro importante de célula solar rendimiento, que afecta el factor de llenado (FF) y la eficiencia general del célula solarUna resistencia en serie más alta conduce a una mayor caída de voltaje en el célula solar, lo que reduce la potencia de salida del célula solar.

Codificación de colores: Identifique rápidamente las áreas de alta resistencia en serie en la celda. Estas áreas pueden deberse a la falta de uniformidad de los dedos de cobre, la falta de uniformidad de la capa de óxido u otros defectos de fabricación.

Pruebas de confiabilidad

Imágenes PL antes y después de la prueba acelerada (85°C/85% de humedad ambiente cálido y húmedo)

Imágenes PL: Las imágenes PL muestran la intensidad de luminiscencia de la célula solar A través de un código de colores. Cuanto más brillante sea el color, mejor será. célula solar rendimiento, y cuanto más oscuro sea el color, peor será el célula solar Rendimiento. Estado inicial: Antes de la prueba de calor y humedad, la imagen PL muestra que el célula solar Emite una luz más brillante en general, lo que indica un buen rendimiento inicial. Degradación del rendimiento: A medida que aumenta el tiempo de prueba, la imagen PL muestra que la intensidad de luminiscencia del célula solar disminuye gradualmente, especialmente en la zona de la grieta. Esto indica que la célula solar Ha experimentado una degradación del rendimiento en condiciones de calor y humedad, especialmente en el área de conexión. Efecto de mejora: Tras mejorar las propiedades de la pasta de cobre, la imagen PL muestra que la degradación del rendimiento... célula solar se reduce significativamente. Esto demuestra que la pasta de cobre optimizada juega un papel importante en la mejora de la confiabilidad del célula solar.

Imagen observada por DLIT después de la prueba de calor húmedo

La celda fue sometida a pruebas de calor húmedo a 85°C y 85 % de humedad durante 500 horas y luego prueba DLIT con polarización inversa (-3 V, 0,3 A):

Imagen DLIT: Los puntos brillantes indican la ubicación de los diodos de derivación, que son áreas defectuosas en la celda que hacen que la corriente desvíe la ruta normal, reduciendo así el rendimiento de la celda.

Degradación del rendimiento: Las imágenes DLIT muestran diodos de derivación evidentes en la celda tras 500 horas de pruebas de calor húmedo. Esto indica que la celda ha experimentado una degradación del rendimiento en condiciones de calor húmedo, especialmente en la zona de interfaz cobre/silicio.

Análisis SEM y EDS de contactos de cobre después de soldadura ultrasónica

Imagen SEM de sección transversal: Se observa la unión del contacto de cobre a la soldadura y su distribución en dicho contacto. Análisis EDS: Los resultados del análisis EDS proporcionan información sobre la composición química del área de soldadura y permiten observar la distribución de elementos como cobre (Cu), estaño (Sn) e indio (In). La distribución uniforme de los elementos indica una buena mezcla durante el proceso de soldadura, sin una difusión desigual ni separación evidente de los mismos.

Se descubrió que la pasta de cobre optimizada alcanzaba una eficiencia celular del 19,25 % a una temperatura de sinterización de 630°C, y la celda aún mantuvo un buen rendimiento después de 1500 horas de pruebas de calor húmedo a 85°C y 85 % de humedad. Estos resultados demuestran que la pasta de cobre tiene un gran potencial para reducir el coste de la producción fotovoltaica, a la vez que cumple con los requisitos de alto rendimiento y alta fiabilidad.