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Parámetros de la Célula Solar de Silicio

Para las células solares de silicio, las limitaciones en el diseño básico afectan la reflexión superficial, la recogida de portadores, la recombinación y las resistencias parasitarias y resultan en un dispositivo óptimo de aproximadamente un 25% de eficiencia teórica. A continuación se muestra un esquema de tal dispositivo óptimo.

Esquema básico de una célula solar de silicio. La capa superior se conoce como el emisor y el material en volumen se conoce como la base.

Compromisos básicos del diseño de la célula

Material del sustrato
(Normalmente silicio)

El silicio cristalino domina el actual mercado fotovoltaico, en parte debido a la prominencia del silicio en el mercado de circuitos integrados. Como es también el caso de los transistores, el silicio no tiene parámetros óptimos de material. En particular, la banda prohibida de silicio es ligeramente demasiado baja para una célula solar óptima y dado que el silicio es un material indirecto, tiene un coeficiente de absorción bajo. Mientras que el coeficiente de absorción bajo puede ser superado por la captura de luz, el silicio también es difícil de crecer en obleas delgadas. Sin embargo, la abundancia de silicio, y su dominio de la industria de fabricación de semiconductores ha hecho difícil la competición para otros materiales.

Espesor de la célula
(100-500  μm)

Una célula solar de silicio óptima con atrapamiento de luz y muy buena pasivación superficial tiene un grosor de aproximadamente 100 μm. Sin embargo, se usan típicamente espesores entre 200 y 500 μm, en parte para cuestiones prácticas tales como fabricación y manipulación de obleas finas, y parcialmente por razones de pasivación superficial.

Dopaje de la Base
(1 Ω · cm)

Un dopaje de base más alto conduce a un VOC más alto y a una menor resistencia, pero mayores niveles de dopaje dan como resultado un daño al cristal.

Control de Reflexión
(Superficie frontal con textura típica)

La superficie frontal se texturiza para aumentar la cantidad de luz acoplada en la célula.

Emisor Dopante
(Tipo-N)

El silicio tipo-N tiene una calidad superficial más alta que el silicio tipo p, por lo que se coloca en la parte frontal de la celda donde se absorbe la mayor parte de la luz. Por lo tanto, la parte superior de la celda es el terminal negativo y la parte posterior de la celda es el terminal positivo.

Espesor del Emisor
(<1 μ m)

Una gran fracción de luz es absorbida cerca de la superficie frontal. Haciendo la capa delantera muy delgada, una gran fracción de los portadores generados por la luz entrante se crean dentro de una longitud de difusión de la unión p-n.

Nivel de Dopaje de Emisor
(100 Ω / ☐)

La unión frontal está dopada a un suficiente nivel para generar la electricidad sin pérdidas resistivas. Sin embargo, los niveles excesivos de dopaje reducen la calidad del material en la medida en que los portadores se recombinan antes de llegar a la unión.

Patrón de la Malla
(Dedos de 20 a 200 μm de ancho, colocados a una distancia de 1 - 5 mm)

La resistividad del silicio es demasiado alta para transportar toda la corriente generada, por lo que se coloca una malla metálica de menor resistividad sobre la superficie para transportar la corriente. La malla metálica sombrea la célula de la luz entrante de modo que hay un balance entre la colección de luz y la resistencia de la malla metálica.

Contacto Trasero.

El contacto trasero es mucho menos importante que el contacto frontal, ya que está mucho más alejado de la unión y no necesita ser transparente. El diseño del contacto trasero es cada vez más importante a medida que aumenta la eficiencia general y las células se vuelven más delgadas.