Construyendo Mejores Células, por Dr. Gerhard Holst, PCO AG
Como resultado de la situación del clima mundial y el incremento del precio del combustible, se intentan buscar nuevos métodos de generación de energía “limpia” . Debido a ello en los últimos años se ha producido un significante estallido en la fabricación de células solares y por tanto en las diferentes tecnologías a aplicar en la continua mejora de su rendimiento.
Las células solares son dispositivos semiconductores de grandes áreas con unas dimensiones típicas de 15.6 cm. Diversos aspectos como son áreas de reducida difusión o las resistencias paralelas reducen la eficacia de conversión de energía de las células solares. Esta técnica de caracterización que proporciona información sobre el funcionamiento real de la célula solar, parece que puede resultar interesante tanto para investigadores como para productores tanto de células solares como módulos, ya que la información que proporciona puede resultar muy interesante para la realimentación del proceso de fabricación.
Desgraciadamente para los fabricantes, la mayoría de las técnicas de caracterización actuales similares en resolución espacial e información suponen un enorme consumo de tiempo ya que la imagen se genera punto a punto. Recientemente, Takashi Fuyuki y sus colegas a Nara Instituto de Ciencia y Tecnología en Ikoma, Japón, introdujeron una nueva técnica de imaging de electroluminiscencia permitiendo la caracterización de la célula de una forma rápida y en alta resolución.
Figura 1- Muestra una imagen de una célula monocristalino desde su frontal. Se observa el efecto de electroluminiscencia bajo la barra del bus y los electrodos claramente visible. La imagen se grabó con una cámara CCD con un tiempo de exposición de 2-s. Las áreas más oscuras en la imagen indican regiones de calidad menor dentro de la célula solar.
Basándose en su artículo el “Institut für Solarenergieforschung Hameln in Emmerthal”, Alemania, utilizó la cámara sensicam qe, una cámara CCD refrigerada, fabricada por PCO AG de Kelheim, Alemania, la cual posee un modo IR el cual se utiliza para preparar esta técnica e investigar su potencial en la caracterización de células solares.
Ya que esta técnica no dicta la distancia entre la cámara y la célula solar, permite el análisis tanto de células independientes con módulos completos. Permitiendo un análisis más detallado de áreas particulares con resoluciones espaciales más altas simplemente acercando la cámara a la muestra o bien seleccionando una lente apropiada. Para la adquisición de una imagen significante solo se necesitan un par de segundos, mientras que con las técnicas utilizadas hasta el momento se requerían varias horas. La electro-luminescencia es una emisión moderada de fotones como resultado de la aplicación de un voltaje a la célula solar dentro de su rango de trabajo. Los electrones inyectados en la celula solar producen el llenado de los pozos disponibles transfiriendo el exceso mediante la emisión de fotones. La intensidad de la radiación electroluminiscente está determinada por el producto del electrón y la concentración del pozo. En condiciones normales, esta emisión aumenta proporcionalmente con la intensidad aplicada.
La imagen capturada con la cámara de CCD muestra la distribución de intensidad de la radiación luminiscente. Aunque para una célula ideal se espera una distribución homogénea, las imágenes de electroluminiscencia de células solares reales siempre muestran imágenes heterogéneas. Aunque las razones para tales diferencias de rendimiento pueden ser numerosas, normalmente estas pueden distinguirse claramente en la mayoría de los casos. Así, por ejemplo variaciones locales en la deposición del portador son claramente visibles en la imagen de electroluminiscencia.
Figura 2- Muestra claramente el impacto con demasiada presión al aplicar los electrodos de la matriz, como todas las estructuras del fingerlike oscuras, generando áreas negras que delatan el mal funcionamiento de gran parte de las células en el módulo fotovoltaico.
Figura 2.- Esta imagen de un módulo fotovoltaico muestra una variedad de áreas dañadas, probablemente en el proceso de fabricación. Las líneas oscuras verticales representan los cracks una consecuencia de aplicar una alta presión durante la aplicación de los electrodos a la matriz. Las esquinas oscuras hacen pensar en áreas rotas en las células solares. Por consiguiente todas las áreas negras no contribuirán a la generación de energía.
Las imágenes se capturaron utilizando el modo de tranabo low-light/NIR integrado en el sensor CCD de la cámara, para la adquisición de dichas imágenes se utilizaron tiempos de exposición entorno a los 2s, con una resolución de 1392 x 1040 pixels. EL sensor ICX285 interline-transfer CCD con una eficiencia cuántica mejorada gracias a la optimización del timing y control de este, a parte de la gran experiencia obtenida a lo largo de estos años con la cámara sensicam qe han permitido el desarrollo de un equipo específico “pco.1300solar” para las aplicaciones de electroluminiscencia.
Figura 3 muestra una curva normalizada de la respuesta de la cámara pco.1300solar cuando el sensor CCD se opera a diferentes temperaturas. Para las aplicaciones de VIS, existe un ligero aumento en la eficiencia cuántica con las bajas temperaturas, en cambio el NIR, el gráfico muestra claramente un aumento en eficiencia cuántica por las temperaturas más altas. Para aprovechar este fenómeno, se requiere de un sensor CCD con un muy bajo ruido, ya que este aumenta con la temperatura. Para aumentar la sensibilidad podríamos hacer Binning con un sensor de alta resolución, pero, esto no siempre es una ventaja ya que la tendencia a tener un alto ruido en las imágenes no cambia por la utilización del binning.
Figura 3- Este gráfico las diferentes curvas de respuesta espectral de la cámara CCD pco.1300solar operando el sensor CCD a diferentes temperaturas y en diferentes longitudes de onda , encontrando el punto normalizado a 5°C
Por consiguiente, ambos aspectos, el funcionamiento optimizado para el rango NIR y la refrigeración termoeléctrica en un rango de temperaturas comprendido entre los 5 y 15 °C, junto con una estabilidad de offset extrema (offset <1 cuenta por hora), favorecen la utilización de la cámara pco.1300solar en aplicaciones de electroluminiscencia. Posibilitando la caracterización de la deposición en las células, daños producidos por desajustes mecánicos en el proceso de fabricación y todo ello con una muy alta resolución espacial, con una inversión mínima de tiempo para sus procesos.
En resumen, esta técnica de caracterización se ha convertido en una útil herramienta en la investigación y desarrollo en el campo de la fotovoltaica y ha contribuido a promover investigaciones en los campos de desarrollo celular obleas y del perfeccionamiento en el ensamblado de módulos.
Autor
Dr. Gerhard Holst is head of the science and research department at PCO AG in Kelheim, Germany; e-mail: gerhard.holst@pco.de.
Referencias
T. Fuyuki et al (June 2005). Photographic surveying of minority carrier diffusion length in polycrystalline silicon solar cells by electroluminescence. APPL PHYS LETT, June 24, 2005, Vol. 86, 262108.
K. Bothe et al (April 2006). Electroluminescence imaging as an in-line characterisation tool for solar cell production. 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference, Dresden, Germany.
