Células solares TOPCon: Nueva tecnología de módulos fotovoltaicos en la industria solar

Jinko Solar presenta la segunda generación de paneles solares Tiger Neo
Table
  1. Tecnología de Células Solares TOPCon: Conceptos Básicos
  2. Estructura y Fabricación de Células Solares TOPCon
    1. Estructura de la Célula Solar TOPCon
    2. Fabricación de una Célula Solar TOPCon
  3. Células solares TOPCon vs células solares PERC
  4. Ventajas y desventajas de las Células Solares TOPCon
    1. Ventajas
    2. Desventajas
  5. Tendencias del Mercado con Células Solares TOPCon


Jinko Solar presenta la segunda generación de paneles solares Tiger Neo

La tecnología de células solares utilizada para fabricar módulos fotovoltaicos está en constante evolución, desarrollándose nuevas tecnologías más avanzadas y eficientes. La tecnología de células solares de contacto pasivado con óxido de túnel (TOPCon) es un desarrollo reciente con el potencial de reemplazar a los paneles solares con emisor pasivado y contacto trasero (PERC) y emisor pasivado de alta eficiencia, totalmente difuso en la parte trasera (PERT).

Las células solares TOPCon representan una tecnología mejorada y más eficiente en comparación con las células solares PERC/PERT, presentando una estructura muy similar.

En este artículo, explicaremos detalles importantes sobre esta tecnología, desde los conceptos básicos, estructura y fabricación, comparación contra otras tecnologías populares en la industria solar, ventajas y desventajas, y más.

Tecnología de Células Solares TOPCon: Conceptos Básicos

La tecnología de células solares TOPCon es una de las últimas tendencias en la industria solar, desarrollada como una versión mejorada y más avanzada de la tecnología PERC/PERT.

Una de las principales ventajas de las células solares TOPCon es que la estructura es solo ligeramente diferente de las células solares PERC/PERT, lo que significa que los fabricantes pueden utilizar prácticamente la misma línea de producción con algunas mejoras para producir células solares TOPCon.

La tecnología de células solares TOPCon fue introducida por primera vez como concepto en 2014 por el instituto alemán de investigación PV Fraunhofer ISE. El proyecto diseñado para desarrollar esta tecnología tuvo lugar de 2013 a 2016, pero no fue hasta 2019 que empresas como Trina Solar la escalaron a producción. Dado que la tecnología de células solares TOPCon se ha demostrado como una mejora exitosa de las células solares PERC, muchas otras empresas, incluidas LONGi Solar, Suntech, Canadian Solar y muchas otras, se interesaron en ella.

El principal inconveniente de esta nueva tecnología en comparación con PERC/PERT es que las células solares TOPCon requieren una mayor cantidad de plata para su producción. Este aumento de plata se traduce en un precio de fabricación más alto; sin embargo, nuevos desarrollos podrían tener éxito en reducir la cantidad requerida de plata, mientras que aún se entregan eficiencias similares o incluso superiores y se reducen los costos de producción.

Estructura y Fabricación de Células Solares TOPCon

La tecnología de células solares TOPCon presenta una estructura y un proceso de fabricación similares a las células solares PERC, presentando solo unos pocos pasos adicionales. En esta sección, explicamos cómo funcionan ambos:

Estructura de la Célula Solar TOPCon

Las células solares TOPCon pueden fabricarse como células solares tipo n o tipo p, pero la variación tipo n ha demostrado ser más eficiente y resistente a impurezas. Dado que las células solares TOPCon son una mejora de las células solares PERC/PERT, es importante entender la estructura de esta nueva tecnología.

La estructura de la célula solar TOPCon toma la estructura base de la célula solar PERT pero incluye una capa ultrafina de dióxido de silicio (SiO2) que funciona como la capa de óxido túnel y reemplaza la capa del campo trasero superficial con una capa de silicio policristalino dopado con fósforo (n+ Poly-Si). Estas modificaciones han mejorado la eficiencia al reducir el proceso de recombinación gracias a la pasivación en las capas añadidas.

Fabricación de una Célula Solar TOPCon

Lo mejor de la tecnología de células solares TOPCon es que el proceso de fabricación es tan similar al de las células solares PERT que los fabricantes solo tendrán que hacer una pequeña inversión para actualizar su línea de producción existente. La mayoría del equipo de fabricación puede permanecer igual. Esto hace que las células solares TOPCon sean una excelente inversión para los fabricantes de módulos PV PERC/PERT ya presentes en el mercado.

El primer paso para fabricar una célula solar TOPCon es el texturizado químico de la superficie del oblea utilizando hidróxido de potasio (KOH) para eliminar el daño por sierra del proceso de corte de la oblea de c-Si. Después de limpiar la oblea, se utiliza el método de difusión para formar el emisor en el lado frontal de la célula aplicando un gas de tribromuro de boro (BBr3), pero luego se elimina el emisor trasero aplicando una solución de ácido nítrico y ácido fluorhídrico (HF/HNO3), y la capa de óxido ultrafina se produce mediante inmersión química húmeda. Para hacer crecer la capa de n+ Poly-Si, se forma una capa de silicio amorfo dopado con fósforo (n-a-Si:H) a través de un proceso de deposición química de vapor asistida por plasma (PECVD). Esto se transforma en la capa de n+ Poly-Si después de un recocido a 900ºC. La célula solar se limpia más, y las capas de pasivación y revestimiento se aplican mediante PECVD. Finalmente, los contactos Ag/Al se aplican mediante serigrafía para la metalización usando un método de disparo rápido con una temperatura máxima de 760ºC. Después de que se fabrican las células solares TOPCon, se realizan caracterizaciones de la curva I-V de la célula solar para evaluar su rendimiento.

Solo se requieren unos pocos pasos adicionales para fabricar una célula solar TOPCon en lugar de la célula solar PERT, lo que hace que esta nueva tecnología sea financieramente atractiva para la industria solar.

Células solares TOPCon vs células solares PERC

Cuando se considera una nueva tecnología emergente como esta, es importante analizarla contra otras tecnologías PV populares en el mercado. En este caso, compararemos la tecnología de células solares TOPCon contra las tecnologías de células solares PERC y de heterounión (HJT).

La tecnología de células solares PERC actualmente ocupa el primer lugar, con la mayor participación de mercado en la industria solar con un 75%, mientras que la tecnología de células solares HJT comenzó a adoptarse en 2019, su participación de mercado fue solo del 2.5% para 2021. TOPCon, que apenas está presente en el mercado, ya representa el 8% del mercado PV, pero creciendo en 2023 a medida que los principales fabricantes cambien de PERC/PERT a TOPCon.

Considerando las especificaciones técnicas, la tecnología PERC se queda atrás tanto de las tecnologías de células solares HJT como TOPCon. Mientras que PERC presenta una eficiencia del 24.5% y un factor de bifacialidad del 70%, TOPCon lleva la eficiencia al 26.1% y el factor de bifacialidad al 85%, mientras que HJT va aún más lejos con una eficiencia del 26.56% y un factor de bifacialidad del 92%. El coeficiente de temperatura para las células solares PERC es peor en comparación con TOPCon con su 0.3%/ºC, mientras que las células solares HJT van incluso más allá de eso a 0.21%/ºC.

Las células solares HJT pueden parecer bastante prometedoras, pero hay grandes inconvenientes para esta tecnología debido al mayor coste de producción para las células solares y la línea de producción incompatible con las tecnologías actuales. Aquí es donde las células solares TOPCon tienen una ventaja inicial, ya que la línea de producción requerida para las células solares TOPCon es prácticamente la misma que PERC/PERT y el costo también es bastante similar.

Considerando la similitud entre las especificaciones técnicas de las células solares HJT y TOPCon, pero teniendo en cuenta los inconvenientes de la tecnología HJT, es comprensible por qué los principales fabricantes como Trina Solar, Jinko Solar, LONGi y otros, optan por células solares TOPCon en lugar de HJT.

Ventajas y desventajas de las Células Solares TOPCon

Las células solares TOPCon presentan algunas diferencias con las células solares PERC/PERT pero mejoran enormemente el rendimiento. En esta sección, presentamos las ventajas y desventajas de las células solares TOPCon.

Ventajas

  • Poca inversión de capital para fabricantes PERC/PERT: La tecnología de células solares TOPCon es una mejora de las células solares PERC/PERT, presentando solo dos pasos adicionales. Esta pequeña diferencia entre ambas tecnologías permite a los fabricantes de células solares PERC y PERT actualizar a TOPCon agregando solo unas pocas piezas de equipo por una pequeña inversión.
  • Mayor eficiencia reportada por varios fabricantes: Una de las principales características de los paneles solares TOPCon es la mayor eficiencia alcanzada. Según el instituto Fraunhofer ISE, las eficiencias pueden superar el 25%. Esto ya ha sido probado por fabricantes de PV como LONGi, Jinko Solar y otros, con una alta eficiencia del 26.1%.
  • Mejor rendimiento como resultado de un menor coeficiente de temperatura: Los módulos PV tradicionales presentan un coeficiente de temperatura de 0.4%/℃-0.5%/℃, mientras que los módulos PV PERC funcionan mejor al llevar ese coeficiente ligeramente por debajo del marco de 0.4%/℃. Por otro lado, los módulos PV TOPCon fabricados por Jinko Solar ya han demostrado llevar el coeficiente de temperatura a menos de 0.3%/℃, mejorando enormemente su rendimiento en muchos escenarios de clima extremo.
  • Factor bifacial 15% superior: El factor bifacial para módulos PV PERC se ha determinado en promedio en alrededor del 70%. Por otro lado, los paneles solares TOPCon han demostrado llevar el factor bifacial hasta el 85%. Este aumento del factor bifacial puede aumentar las ganancias de potencia hasta en un 2%.

Desventajas

  • Varios desafíos en el proceso de fabricación: La tecnología de células solares TOPCon todavía enfrenta varios desafíos en el proceso de fabricación. Algunos de estos incluyen diferentes opiniones sobre la mejor técnica para la deposición de boro, diferentes requisitos para las condiciones de sala limpia que deben cumplirse y la incapacidad del emisor selectivo actual para aplicarse al emisor frontal TOPCon. Para que la industria solar avance con TOPCon, estos problemas deben abordarse.
  • Pocos datos sobre la producción masiva, limitando la hoja de ruta para el futuro: Diferentes empresas que actualizan sus líneas de producción PERC/PERT a células solares TOPCon han tomado diferentes rutas, pero dado que hay una producción masiva limitada, la hoja de ruta para esta tecnología aún está en desarrollo. A medida que las principales empresas como Trina Solar, LONGi y otras comiencen a abordar los principales problemas y encuentren formas óptimas de producir células solares TOPCon, la hoja de ruta se volverá más clara.
  • Mayor requerimiento de plata igual a precio más alto: Uno de los principales problemas de las células solares TOPCon es un mayor requerimiento de plata para imprimir los contactos en la célula. La opción ideal para reducir los costos sería aumentar la eficiencia mientras se mantienen los costos actuales. Reducir los costos para esta tecnología es imperativo para ingresar al mercado a precios razonables.

Tendencias del Mercado con Células Solares TOPCon

Las tendencias del mercado han cambiado en la última década de paneles solares con campos superficiales traseros (BSF) a la tecnología de células solares PERC, y ahora parece estar cambiando a paneles solares TOPCon. Inicialmente, los paneles solares BSF dominaron el mercado, pero los fabricantes comenzaron la adopción de la tecnología de células solares PERC y la participación de mercado creció hasta alcanzar el 40% en 2018, y casi el 75% para 2021. Dado que la tecnología de células solares TOPCon es una actualización rentable de las células solares PERC/PERT, esta nueva tecnología pronto podría dominar el mercado.

En 2021, LONGi anunció un nuevo récord para paneles solares n-tipo de alta eficiencia al 25.21% con tecnología de células solares TOPCon. Poco después, Jinko Solar anunció un récord de eficiencia aún mayor al 25.4%. En 2022, Trina Solar rompió el récord con una eficiencia del 25.5%, mientras que Canadian Solar también alcanzó una alta eficiencia del 25.0% ese mismo año. Para finales de 2022, Jinko Solar rompió el récord dos veces seguidas, primero alcanzando el 25.7% y luego el 26.1%. En 2023 DAS Solar establece un récord de eficiencia del 26,33%

Muchos fabricantes de módulos fotovoltaicos comenzarán a llenar el mercado con paneles solares TOPCon a medida que diseñen y lancen sus productos. LONGi lanzó sus paneles solares bifaciales TOPCon en el SNEC 2021, y Suntech lanzó su Serie Ultra VPro en 2022, pero parece que 2023 será el año en que la mayoría de los fabricantes de PV lancen sus productos. Jinko Solar presentó tres variantes diferentes de paneles solares TOPCon con una tasa de potencia que va de 445W a 635W, Canadian Solar también está ingresando al mercado con paneles solares que llegan hasta 690W, y Trina Solar presentó sus nuevos paneles solares TOPCon que llegan hasta 445W.

Estos son solo algunos de los fabricantes más grandes, pero a medida que la tecnología avance, otras empresas importantes en la industria solar también lanzarán paneles solares TOPCon. Existe una posibilidad considerable de que a medida que la tecnología de células solares TOPCon se vuelva más popular, los paneles solares PERC comiencen a ceder paso a TOPCon para aumentar su participación de mercado y presencia en la industria.

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