Pasivar los pinholes para celdas solares de silicio de gran área y alta eficiencia con contacto pasivado por óxido túnel

Por qué importan los defectos minúsculos para la energía solar

Los paneles solares de silicio modernos ya son notablemente eficaces convirtiendo la luz en electricidad, pero acercarlos aún más a sus límites físicos exige comprender lo que ocurre a escalas inimaginablemente pequeñas. Este estudio examina en profundidad uno de los diseños más avanzados de celdas solares actuales, denominado TOPCon, y descubre que los defectos a escala atómica que se consideraban dañinos pueden, en realidad, convertirse en rasgos útiles. Al aprender a controlar estos “pinholes” nanométricos, los autores muestran cómo fabricar celdas solares a escala industrial con eficiencias récord.

Un nuevo tipo de celda solar de silicio

Los paneles solares de silicio alimentan hoy desde tejados hasta enormes centrales en el desierto, y las celdas TOPCon (contacto pasivado por óxido túnel) están surgiendo como una tecnología central. En estos dispositivos, una fina capa aislante de óxido de silicio queda intercalada entre la oblea de silicio principal y una capa de silicio fuertemente dopada que ayuda a extraer las cargas eléctricas. Esta arquitectura puede, en teoría, ofrecer muy altas eficiencias de conversión de energía a bajo coste, lo que la hace atractiva para la expansión masiva de la solar necesaria para alcanzar objetivos climáticos y de neutralidad carbónica. Empresas e institutos de investigación ya han reportado celdas TOPCon con eficiencias por encima del 26%, y los precios industriales de la electricidad en algunas regiones han caído a fracciones de céntimo por kilovatio-hora.

El misterio de las hendiduras microscópicas

A pesar de estos éxitos, los detalles microscópicos de cómo funcionan las celdas TOPCon han permanecido confusos. En particular, los investigadores han debatido durante mucho tiempo el papel de los “pinholes”: puntos diminutos donde la capa de óxido está interrumpida y las dos regiones de silicio pueden interactuar más directamente. La sabiduría convencional sostenía que estos pinholes eran en su mayoría perjudiciales: áreas donde faltaba el óxido protector, creando defectos que permiten la recombinación de portadores y el desperdicio de energía. Sin embargo, los experimentos y los modelos por ordenador no concordaban totalmente sobre cuán nocivos eran realmente los pinholes, ni sobre cuántos podían tolerarse antes de que decayera el rendimiento. Esta incertidumbre limitó la capacidad de los fabricantes para afinar sus procesos.

Viendo la interfaz átomo a átomo

Para resolver este rompecabezas, el equipo utilizó microscopios electrónicos de última generación capaces de imagen columnas atómicas individuales en la interfaz entre la oblea de silicio, el óxido y la capa de silicio policristalino. Compararon celdas TOPCon a escala industrial que diferían en eficiencia por unos 1,3 puntos porcentuales pero que parecían casi idénticas bajo microscopios convencionales. Con mayor resolución y mapeo químico, descubrieron que no todos los pinholes son iguales. Algunos carecen totalmente de oxígeno y crean un contacto silicio–silicio directo plagado de defectos; estos se comportan como verdaderos “pinholes recombinacionales” que perjudican el rendimiento del dispositivo. Otros, sin embargo, aún contienen suficientes átomos de oxígeno para “calmar” químicamente los enlaces colgantes, mientras permanecen lo bastante delgados como para permitir el efecto túnel de las cargas. Los autores denominan a estas características recién reconocidas “pinholes pasivantes”.

Convertir defectos en ventajas

Al cortar cuidadosamente las celdas en distintas direcciones y contar estas diminutas estructuras, los investigadores hallaron que los dispositivos de alto rendimiento contienen en realidad un número enorme de pinholes —del orden de un billón por centímetro cuadrado—, mucho más de lo estimado anteriormente. De forma crucial, las mejores celdas están dominadas por el tipo pasivante. Los modelos muestran que lo que más importa no es el tamaño o el espaciado exacto de los pinholes, sino qué tan bien están químicamente domadas sus superficies. Si los pinholes están bien pasivados, proporcionan muchos pequeños canales eléctricos de baja resistencia, mejorando el flujo de cargas sin introducir pérdidas excesivas. Las mediciones de proceso respaldan esta visión: las celdas ricas en pinholes pasivantes muestran tiempos de vida de portadores más largos, mayores voltajes de circuito abierto, menor resistencia de contacto y un rendimiento uniforme a lo largo de grandes obleas industriales. Con este enfoque, el equipo demuestra celdas de tamaño comercial con una eficiencia certificada del 25,40% y una excelente tensión de salida.

Guiando la próxima generación de celdas solares

El trabajo sugiere un cambio en la forma en que los tecnólogos solares deberían concebir las imperfecciones en las interfaces. En lugar de esforzarse por eliminar por completo los pinholes, el objetivo pasa a ser diseñarlos para que permanezcan ricos en oxígeno y eléctricamente dóciles. El estudio expone palancas prácticas —como la temperatura de oxidación, el suministro de oxígeno y tratamientos térmicos posteriores— que los fabricantes pueden ajustar para favorecer pinholes pasivantes frente a los nocivos. Para el público general, el mensaje clave es que, al dominar el control sobre estructuras de sólo un par de millonésimas de milímetro, los ingenieros pueden exprimir más electricidad de la misma luz solar, reduciendo costes y acelerando la adopción de tecnologías de energía limpia.

Cita: Zhang, W., Zhang, K., Bai, Y. et al. Passivating pinholes for large-area and high-efficiency silicon solar cells with tunnel oxide passivated contact. Nat Commun 17, 2490 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70511-2

Palabras clave: celdas solares de silicio, TOPCon, pinholes, pasivado de interfaz, eficiencia fotovoltaica