El paper crític de la tecnologia làser en la fabricació de cèl·lules fotovoltaiques

A mesura que la indústria fotovoltaica (FV) continua buscant una major eficiència de conversió i uns costos de fabricació més baixos, la tecnologia de processos s'ha convertit en un factor decisiu en el rendiment i l'escalabilitat de les cèl·lules. Des del PERC fins al TOPCon i l'HJT, i més endavant cap a les cèl·lules solars de perovskita i tàndem, les arquitectures cel·lulars són cada cop més complexes, mentre que les finestres de procés es fan més estretes. Dins d'aquesta evolució, la tecnologia làser ha passat de ser una eina de suport a una capacitat de fabricació bàsica que sustenta múltiples generacions de cèl·lules fotovoltaiques d'alta eficiència.

En les línies de producció de PERC, l'ablació làser permet la creació de patrons a nivell de micres de capes de passivació per formar contactes locals estables. En la fabricació de TOPCon, el dopatge amb bor làser es considera àmpliament com una via clau cap a eficiències cel·lulars superiors al 26%. En cèl·lules emergents de perovskita i tàndem, el marcatge làser determina directament si es pot aconseguir una producció de gran superfície i alta uniformitat. Amb la seva naturalesa sense contacte, alta precisió i mínima zona afectada per la calor, la tecnologia làser s'ha convertit en un facilitador indispensable de la millora de l'eficiència i la fiabilitat de la fabricació a tota la indústria fotovoltaica.

La tecnologia làser com a base comuna per a la fabricació fotovoltaica avançada

A mesura que avancen les tecnologies cel·lulars, els fabricants s'enfronten a diversos reptes compartits: característiques estructurals més fines, materials més sensibles i requisits de rendiment cada cop més estrictes. El processament làser aborda aquests reptes mitjançant una combinació única de capacitats:
* Processament sense contacte, evitant tensions mecàniques i microesquerdes
* Control espacial a nivell de micres, adequat per a estructures cel·lulars fines i complexes
* Entrada d'energia localitzada i ultracurta, que minimitza els danys tèrmics
* Alta compatibilitat amb l'automatització i el control de processos digitals
Aquests atributs fan de la tecnologia làser una plataforma de processos altament versàtil i actualitzable, aplicable des de cel·les de silici cristal·lí convencionals fins a arquitectures tàndem de nova generació.

Aplicacions clau del làser a les tecnologies cel·lulars convencionals
1. Cèl·lules PERC: un model madur de processament làser
L'èxit industrial de la tecnologia PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) està estretament vinculat al processament làser a gran escala. L'ablació làser s'utilitza per obrir selectivament la capa de passivació d'òxid d'alumini a la part posterior, formant contactes locals a la superfície posterior i preservant alhora el rendiment de passivació.
A més, el dopatge d'emissor selectiu làser (SE) permet un dopatge localitzat i intens sota els contactes frontals, reduint la resistència de contacte i millorant normalment l'eficiència de la cel·la en un 0,3%. La maduresa i l'estabilitat d'aquests processos làser han donat suport a la producció massiva a llarg termini i al domini del mercat de les cel·les PERC.

2. Cèl·lules TOPCon: dopatge amb bor làser com a procés innovador
Les cel·les TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact) utilitzen oblies de silici de tipus N, oferint avantatges inherents en la selectivitat del portador i el rendiment elèctric. Tanmateix, la difusió de bor convencional basada en forns d'alta temperatura presenta reptes, com ara un alt consum d'energia, un rendiment més lent i un major risc per a la integritat de l'òxid de túnel.
El dopatge amb bor làser permet un escalfament localitzat i ultraràpid, permetent que els àtoms de bor es difonguin selectivament en regions designades sense exposar tota la làmina a altes temperatures. Aquest enfocament redueix significativament la resistència de contacte alhora que manté la qualitat de passivació i es considera àmpliament un procés crític per impulsar les eficiències de TOPCon més enllà del 26%.

3. Cèl·lules HJT: recuit induït per làser per a l'optimització de la interfície
Les cèl·lules HJT (heterojunció) es basen en capes de silici amorf per a una passivació superficial excel·lent. Tanmateix, els defectes d'interfície, com ara els enllaços penjants, encara poden provocar la recombinació del portador.
El recuit induït per làser (LIA) utilitza la irradiació làser controlada per activar la migració d'hidrogen a la interfície de silici amorf/cristal·lí, reparant defectes in situ. S'ha demostrat que aquest procés millora la tensió de circuit obert (Voc) i el factor d'ompliment (FF), convertint-lo en un mètode pràctic per a l'optimització de l'eficiència de la transferència d'hidrogen a circuit obert (HJT).

4. Cèl·lules de perovskita i tàndem: escriptura làser per a una integració escalable
En les cèl·lules tàndem de perovskita i perovskita/silici, el processament làser no només és una eina de fabricació, sinó també un facilitador estructural. Els passos estàndard de gravat làser P1, P2 i P3 defineixen la segmentació d'elèctrodes, l'aïllament de subcel·les i la interconnexió en sèrie.
Donada la naturalesa fràgil i l'estabilitat tèrmica variable de les capes funcionals, el processament làser —amb les seves característiques sense contacte i d'alta precisió— és essencial per aconseguir una alta eficiència i uniformitat en dispositius de gran àrea. Com a resultat, el gravat làser es considera un dels processos bàsics per a la industrialització de cel·les en tàndem.

Processos làser d'ús general per a la reducció de costos i la millora del rendiment
Més enllà de les aplicacions específiques per a cèl·lules, la tecnologia làser també admet diversos passos de fabricació multiplataforma:
* Transferència de línies de quadrícula basada en làser: Permet elèctrodes més fins i una consistència millorada en comparació amb la serigrafia, reduint significativament el consum de pasta de plata, especialment en processos de baixa temperatura com ara la HJT.
* Tallat amb làser sense danys: permet un processament precís de mitges cel·les i múltiples talls amb un risc reduït de microesquerdes, millorant la potència de sortida del mòdul.
* Aïllament i passivació de les vores del làser: Repara els danys a les vores després del tall, reduint les pèrdues per recombinació i contribuint a guanys d'eficiència a nivell de mòdul.
Aquests processos làser generals tenen un paper important en la reducció del cost per watt alhora que milloren el rendiment general de la fabricació.

Gestió tèrmica : la base del processament làser estable
A mesura que la fabricació fotovoltaica avança cap a un rendiment més alt i un funcionament continu de llarga durada, l'estabilitat del procés làser depèn cada cop més d'un control tèrmic precís. Fins i tot petites fluctuacions en la sortida del làser poden afectar directament la resistència de contacte, la densitat de defectes o la consistència de l'amplada de la línia.
En entorns de producció, les fonts làser i els components òptics funcionen sota càrregues tèrmiques sostingudes. Per tant, uns sistemes de refrigeració i control de temperatura fiables són essencials per mantenir l'estabilitat de l'energia làser, minimitzar la deriva de potència i garantir resultats de processament repetibles. Una gestió tèrmica eficaç de les fonts làser, els mòduls de potència i els conjunts òptics contribueix directament a un major rendiment i robustesa del procés, especialment per a les cel·les TOPCon, HJT i tàndem amb marges de procés més estrets.
Les solucions de control de temperatura industrial desenvolupades per a aplicacions làser d'alta potència continuen evolucionant cap a una major estabilitat, una resposta més ràpida i una fiabilitat operativa a llarg termini, proporcionant una base sòlida per a la fabricació fotovoltaica avançada.

Conclusió
Des de la comercialització a gran escala de les cèl·lules PERC fins a la ràpida adopció de les tecnologies TOPCon i HJT, i més endavant fins a l'exploració d'arquitectures tàndem, la tecnologia làser passa constantment pels passos més crítics de la fabricació de cèl·lules fotovoltaiques. Tot i que no defineix el límit teòric d'eficiència, determina fermament si aquesta eficiència es pot produir de manera consistent, controlable i a escala.
A mesura que la indústria fotovoltaica avança cap a una major eficiència i una major fiabilitat de fabricació, el processament làser, juntament amb el suport a nivell de sistema que garanteix la seva estabilitat, seguirà sent un motor fonamental del progrés tecnològic i la modernització industrial.