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

La tecnología de células solares utilizada para fabricar módulos fotovoltaicos (PV) está en constante evolución a medida que se desarrollan tecnologías nuevas, más avanzadas y más eficientes.Tecnología de células solares de contacto pasivado con óxido de túnel (TOPCon)es un nuevo desarrollo con el potencial de reemplazar los paneles solares de emisor pasivado y contacto trasero (PERC) y emisor pasivado de alta eficiencia, totalmente difuso trasero (PERT).

Células solares TOPConrepresentan una tecnología mejorada y más eficiente en comparación conCélulas solares PERC/PERT, con una estructura muy similar.

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

Tabla de contenido

La tecnología de celdas 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 quela 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 celdas solares TOPCon fue presentada por primera vez como un concepto en 2014 por el instituto de investigación fotovoltaico alemán Fraunhofer ISE. El proyecto diseñado para desarrollar esta tecnología se desarrolló entre 2013 y 2016, pero no fue hasta 2019 cuando empresas como Trina Solar lo escalaron a producción. Como la tecnología de celdas solares TOPCon demostró ser una actualización exitosa de las celdas solares PERC, muchas otras compañías, 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 (Ag) para su producción. Este aumento de la plata se traduce en un mayor precio de fabricación; sin embargo, los nuevos desarrollos podrían resultar exitosos en la reducción de la cantidad requerida de plata, al mismo tiempo que ofrecen eficiencias similares o incluso mayores y reducen los costos de producción.

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

Las celdas solares TOPCon se pueden fabricar como celdas solares de tipo n o de tipo p, pero la variación de tipo n ha demostrado ser más eficiente y resistente a las impurezas. Debido a que las celdas solares TOPCon son una actualización de las celdas solares PERC/PERT, es importante comprender la estructura de esta nueva tecnología.

Las células solares PERT se fabrican con una capa de volumen de silicio cristalino (c-Si) de tipo n debido a su mayor calidad superficial y se acopla con una capa de emisor p+ para crear la unión pn. La capa del emisor está cubierta con una capa pasivante de óxido de aluminio (Al2O3) y rematada con un revestimiento de nitruro de silicio (SiNx) por sus propiedades antirreflectantes. Las células solares PERC reemplazan la capa absorbente con una capa de volumen de tipo p y un emisor n+ para la unión pn.

La parte inferior de la región a granel se dopa con fósforo para crear el campo de superficie posterior y luego se recubre con SiNx de manera similar a la parte superior de la celda. Tanto la parte superior como la inferior de la celda solar están equipadas con contactos de plata (Ag) o aluminio (Al) para cerrar el circuito cuando la celda se conecta a la carga o a otras celdas al momento de fabricar el panel solar PERC/PERT.

La estructura de la celda solar PERC/PERT ha demostrado ser bastante eficiente desde que se introdujo en el mercado y se implementó para fabricar módulos fotovoltaicos, pero los investigadores encontraron formas de mejorarla y, por lo tanto, crearon la celda solar TOPCon.

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

Una de las mejores cosas de la tecnología de celdas solares TOPCon es que el proceso de fabricación es tan similar al de las celdas solares PERT que los fabricantes solo tendrán que hacer una pequeña inversión para actualizar su línea de producción existente. La mayoría de los equipos de fabricación pueden seguir siendo los mismos. Esto convierte a las células solares TOPCon en una excelente inversión para los fabricantes de módulos fotovoltaicos PERC/PERT que ya están en el mercado.

Después de fabricar las células solares TOPCon, se realizan caracterizaciones de la curva de células solares IV para evaluar su rendimiento.

La tecnología de celdas solares TOPCon es bastante prometedora y tiene el potencial de crecer rápidamente dentro de la industria solar. Al considerar una nueva tecnología emergente como esta, es importante analizarla frente a otras tecnologías fotovoltaicas populares en el mercado. En este caso, compararemos la tecnología de celdas solares TOPCon con las tecnologías de celdas solares PERC y heterounión (HJT).

La tecnología de celdas solares PERC actualmente ocupa el primer lugar, con la participación de mercado más alta en la industria solar con un 75 %, mientras que la tecnología de celdas solares HJT comenzó a adoptarse en 2019, su participación de mercado era solo del 2,5 % para 2021. TOPCon, que es apenas presente en el mercado, ya representa el 8% del mercado fotovoltaico, pero podría comenzar a crecer en 2023 a medida que los principales fabricantes cambien de PERC/PERT a TOPCon.

Teniendo en cuenta las especificaciones técnicas, la tecnología PERC se queda atrás frente a las tecnologías de células solares HJT y 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 de las células solares PERC es peor en comparación con TOPCon con su 0,3 %/ºC, mientras que las células solares HJT son incluso inferiores a 0,21 %/ºC.

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

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

Las celdas solares TOPCon tienen algunas diferencias con las celdas solares PERC/PERT, pero mejoran en gran medida el rendimiento. En esta sección presentamos las ventajas y desventajas de las células solares TOPCon.

La tecnología de celdas solares TOPCon es una actualización de las celdas solares PERC/PERT, con dos pasos adicionales. Esta pequeña diferencia entre ambas tecnologías permite a los fabricantes de celdas solares PERC y PERT actualizarse a TOPCon agregando solo unos pocos equipos por una pequeña inversión.

Una de las principales características de los paneles solares TOPCon es la mayor eficiencia que consiguen. Según el instituto Fraunhofer ISE, las eficienciaspuede ir más allá del 25% . Esto ya lo han demostrado fabricantes fotovoltaicos como LONGi, Jinko Solar y otros, con una alta eficiencia del 26,1 %.

Los módulos fotovoltaicos tradicionales cuentan con un coeficiente de temperatura de 0,4 %/℃-0,5 %/℃, mientras que los módulos fotovoltaicos PERC funcionan mejor al tomar ese coeficiente ligeramente por debajo del marco de 0,4 %/℃. Los módulos fotovoltaicos TOPCon fabricados por Jinko Solar, por otro lado, ya han demostrado llevar el coeficiente de temperatura a menos de 0,3 %/℃, lo que mejora enormemente su rendimiento en muchos escenarios climáticos extremos.

Se ha determinado que el factor bifacial para los módulos fotovoltaicos PERC es, en promedio, de alrededor del 70 %. Los paneles solares TOPCon, por otro lado, han demostrado llevar el factor bifacial hasta en un 85%. Este factor bifacial incrementado puede aumentar las ganancias de potencia hasta en un 2%.

La tecnología de celdas 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, se deben abordar estos problemas.

Las diferentes empresas que actualizan sus líneas de producción PERC/PERT a células solares TOPCon han tomado diferentes rutas, pero dado que la producción en masa es limitada, la hoja de ruta para esta tecnología aún está en desarrollo. A medida que empresas importantes como Trina Solar, LONGi y otras comiencen a abordar problemas importantes y encuentren formas óptimas de producir celdas solares TOPCon, la hoja de ruta se volverá más clara.

Uno de los principales problemas de las celdas solares TOPCon es un mayor requerimiento de plata para imprimir los contactos en la celda. La opción ideal para reducir costos sería aumentar la eficiencia manteniendo los costos actuales. Reducir los costos de esta tecnología es imperativo para llegar al mercado a precios razonables.

Las tendencias del mercado han cambiado en la última década de los paneles solares de campos de superficie trasera (BSF) a la tecnología de células solares PERC, y ahora parece estar cambiando a los paneles solares TOPCon. Inicialmente, los paneles solares BSF dominaban el mercado, pero los fabricantes comenzaron a adoptar la tecnología de celdas solares PERC y la participación de mercado creció hasta alcanzar el 40 % en 2018 y casi el 75 % en 2021. Dado que la tecnología de celdas solares TOPCon es una actualización rentable de Células solares PERC/PERT, esta nueva tecnología pronto puede dominar el mercado.

En 2021, LONGi anunció un nuevo récord de paneles solares de tipo n de alta eficiencia con un 25,21 % con tecnología de células solares TOPCon. Poco después, Jinko Solar anunció un récord de eficiencia aún mayor con un 25,4 %. En 2022, Trina Solar batió el récord con una eficiencia del 25,5 %, mientras que Canadian Solar también alcanzó una alta eficiencia del 25,0 % ese mismo año. A finales de 2022, Jinko Solar batió el récord dos veces seguidas, alcanzando primero el 25,7 % y luego el 26,1 %.

Muchos fabricantes 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 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 fotovoltaicos lancen sus productos. Jinko Solar presentó tres variantes diferentes de paneles solares TOPCon con una potencia que va de 445 W a 635 W, Canadian Solar también está llegando al mercado con paneles solares que alcanzan los 690 W y Trina Solar presentó sus nuevos paneles solares TOPCon que alcanzan los 445 W.

Estos son solo algunos de los fabricantes más grandes, pero a medida que avanza la tecnología, otras compañías importantes en la industria solar también lanzarán paneles solares TOPCon. Existe una posibilidad considerable de que, a medida que la tecnología de celdas solares TOPCon se vuelve más popular, los paneles solares PERC comenzarán a ceder el paso a TOPCon para aumentar su participación de mercado y su presencia en la industria.

La tecnología de celdas solares TOPCon es un producto revolucionario que mejora el diseño de los paneles solares PERC/PERT.

Esta tecnología ya ha demostrado su valor al alcanzar eficiencias que se acercan al límite de Shockley-Queisser para células solares de unión pn única y ofrecen un mejor rendimiento en general.

La industria solar está empezando a familiarizarse con la tecnología de células solares TOPCon. LONGi ya lanzó sus módulos bifaciales en 2021, pero la mayoría de los fabricantes lanzarán sus paneles solares TOPCon de alta eficiencia desde el segundo (Q2) hasta el último trimestre (Q4) de 2023.

Es posible que al principio, la tecnología de celdas solares TOPCon tenga costos ligeramente más altos que los paneles solares PERC/PERT, pero los analistas esperan que el costo de los paneles solares TOPCon sea menor que el costo actual de la tecnología de celdas solares PERC.

El camino para la tecnología de células solares TOPCon tampoco está completamente libre de competencia. Hay otras tecnologías que presentan un gran potencial interesante para ir en contra de esta tecnología recientemente actualizada, incluida HJT a medida que se desarrolla más, y la tecnología de células solares de contacto posterior interdigitado (IBC).

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