Capas antirreflectantes en los paneles solares: Definición, principios y materiales

La eficiencia de una célula fotovoltaica (FV) está limitada por varios factores, uno de los más importantes son las pérdidas ópticas debidas a la reflexión superficial de luz solar incidente. 

Hasta el 30% de la luz solar incidente puede perderse en el contacto con la superficie de las células de silicio sin tratar de los módulos solares debido a la llamada reflexión de Fresnel.

¿Qué es la ARC en una célula solar?

Las capas antirreflectantes (ARC en Inglés “Anti-reflective coatings) se diseñan para reducir las pérdidas de reflexión, aumentando así la fracción de luz transmitida a la célula solar. El resultado es una mayor potencia y un mejor rendimiento a lo largo de la vida útil del módulo.

Las ARC se aplican en dos lugares principales dentro de un panel solar, que son los siguientes.

• Sobre la cubierta de vidrio: Para minimizar la reflexión en la interfaz aire-vidrio, permitiendo que llegue más luz solar a la célula solar.

• Sobre la superficie de la célula solar: Para mejorar la absorción de fotones reduciendo la reflexión interna y la dispersión dentro del material fotovoltaico.

Pérdidas ópticas en paneles solares y fundamentos de ARC

La capacidad de una célula solar de silicio para generar electricidad depende de la energía de los fotones entrantes. Como el silicio puede absorber un ancho de banda de 1,1 eV, significa que puede absorber luz con longitudes de onda que van solo de 300 nm (ultravioleta) a 1100 nm (infrarrojo cercano). 

Los fotones con longitudes de onda inferiores a 300 nm tienen un exceso de energía que se pierde en forma de calor, mientras que los fotones con longitudes superiores a 1100 nm no tienen energía suficiente para excitar electrones, por lo que pasan por la célula sin generar electricidad.

Además de ello, cuando la luz se encuentra con un cambio en el índice de refracción (por ejemplo, de el interfaz aire a vidrio o de vidrio a célula), una parte de ella se refleja y la otra parte se transmite (la absorbe en el caso de la célula solar). 

La cantidad de reflexión (reflectancia R) con una incidencia normal (perpendicular) viene dada por:

$$R={\left(\frac{\eta 1-\eta 2}{\eta 1+\eta 2}\right)}^2$$

donde n1 y n2 son los índices de refracción del aire y del vidrio, respectivamente. En el caso de la célula, n1 es el índice del alrededor de la célula y n2 es el índice de refracción del silicio. 

El vidrio estándar (índice de refracción de 1,5) que se utiliza en los paneles solares refleja alrededor del 4-5% de la luz incidente, lo que provoca pérdidas acumulativas que afectan significativamente a la eficiencia de la célula. 

Es decir, una mayor reflectancia (R) significa que entra menos luz en la célula solar, lo que reduce la eficiencia global de conversión de energía.

Métodos para reducir las pérdidas ópticas

Se pueden emplear varios métodos para reducir las pérdidas ópticas en las células solares.

• Minimizar la influencia de los contactos superiores: Reducir el tamaño de los contactos metálicos en la superficie de la célula solar puede disminuir los efectos de sombra, pero esto implica aumento de la resistencia en serie de la célula (más calor).
• Aplicación de capas antirreflectantes (ARC): El uso de capas monocapa, multicapa o nanoestructurados tanto en la cubierta de cristal como en la célula solar reduce las pérdidas por reflexión.
• Texturización de la superficie de la célula: El microtexturizado o nanotexturizado de la superficie de la célula solar aumenta la captación de luz y reduce la reflexión. Es lo que podemos apreciar en la imagen con aspecto piramidal. Esta estructura piramidal se logra con soluciones de hidóxido de potasio (KOH) o Hidróxido de Sodio (NaOH) sobre la célula.
• Aumento del grosor de la célula: Una célula solar más gruesa puede absorber más luz; sin embargo, la absorción lejos de la unión P-N o N-P puede provocar una baja eficiencia de captación debido al aumento de las probabilidades de la recombinación de portadores.

Para el caso que nos ocupa de las ARC, se introduce una capa antirreflectante sobre el vidrio y una texturación más una capa reflectante sobre la célula. Esto consiste en introducir una fina película de índice de refracción intermedio, para minimizar la reflectancia y una texturación en la célula.

Diseño óptimo de la capa antirreflectante (ARC):

Para tratamientos anti reflectantes de una capa, el índice de refracción óptimo (nARC) se determina utilizando esta fórmula:

$${\eta }_{\mathrm{ARC}}=\sqrt{{\eta }_{\mathrm{aire}}\times {\eta }_{\mathrm{vidrio}}}$$

donde 𝑛𝐴𝑅𝐶 es el índice de refracción de la capa antirreflectante, 𝑛aire (1,0) es el índice de refracción del aire, y 𝑛vidrio (1,52) es el índice de refracción del sustrato (vidrio). Lo que resulta en un valor de 𝑛𝐴𝑅𝐶  ~1,232 para revestimientos de una sola capa. 

Sin embargo, mejorar el índice de refracción no se puede lograr con ningún material natural pues ninguno se ajusta perfectamente a este valor, lo que obliga a utilizar ARC multicapa o nanotexturizados que amplían el ancho de banda espectral sin reflejo como la doble capa SiO2-TiO2.

¿Cuáles son los tipos de ARC?

Los revestimientos antirreflectantes (ARC) tienen diferentes diseños estructurales, cada uno optimizado para unas condiciones ópticas y ambientales específicas. La eficacia del revestimiento antirreflectante depende de su capacidad para minimizar la reflectancia en una gama espectral y en diferentes ángulos de incidencia de la luz solar. 

Los tipos de ARC son: recubrimientos monocapa, multicapa y nanoestructurados.

Los revestimientos monocapa son los más utilizados en el vidrio y células por su menor coste. Estos proporcionan propiedades antirreflectantes básicas al reducir la reflexión en un rango específico de longitudes de onda, normalmente optimizado para el rango del pico del espectro solar. Este suele situarse en torno a los 500-600 nm (luz verde visible), y su rendimiento es limitado fuera de ese estrecho rango.

Pero la región de picos más amplia de la luz solar abarca de 450 a 700 nm, cubriendo la gama azul-verde-amarilla-roja de la luz visible. Para ello, los revestimientos multicapa abarcan el espectro solar en el rango de los 300 a 1100 nm y mejoran el rendimiento de banda ancha combinando varias capas dieléctricas con índices de refracción diferentes. Esto permite una supresión más eficaz de la reflexión en una gama más amplia de longitudes de onda, lo que mejora significativamente la absorción global de la luz y la eficiencia de los paneles solares. 

Los recubrimientos nanoestructurados (cristales fotónicos) más avanzados se inspiran en la naturaleza y ofrecen una captura de la luz casi perfecta para longitudes de onda entre 300 y 1200nm para una eficiencia ultraelevada. 

A continuación, examinamos los tres tipos principales de ARC utilizados en los paneles solares.

• ARC de una capa (o SLARC “Single Layer Antireflectant Coat”): Utiliza una sola capa dieléctrica de espesor optimizado (~100 nm). Eficacia espectral limitada (~500-700 nm). Normalmente emplea SiO₂ o MgF como capa antireflectante en el vidrio y SiNx (Nitrito de Sodio) sobre la célula por que además de reducir la reflexión, mejora la pasivación (reduce la recombinación de los electrones). Son los más utilizados en la industria fotovoltaica de consumo.
• ARC multicapa (o MLARC “Multi Layer Antireflectant Coat”): Alterna entre capas de alto y bajo índice de refracción. Ofrece un rendimiento de banda ancha a través de 300-1100 nm. Las mejores combinaciones: SiO₂/TiO₂, ZrO₂/MgF₂.
• ARC nanoestructurado y de cristal fotónico: Inspiradas en superficies biomiméticas (por ejemplo, estructuras de ojo de polilla). Ofrece un rendimiento de banda ancha a través de 300-1200 nm. Pueden alcanzar una reflectancia cercana a cero (permite el paso de la luz solar prácticamente sin reflexión) en todos los ángulos de incidencia.

El motivo de no utilizar herramientas de limpieza abrasivas durante la limpieza de los paneles solares, es para no dañar la capa de SiO2 antirreflectante del vidrio.

¿Cómo se aplica el ARC a la célula solar?

La aplicación de revestimientos antirreflectantes (ARC) en una célula solar mejora tanto el rendimiento óptico como también las propiedades de pasivación (recombinación de portadores). 

El método más utilizado en la industria solar es el depósito químico en fase de vapor mejorado por plasma (PECVD), que garantiza una capa uniforme y duradera con excelentes propiedades ópticas y eléctricas.

Proceso de deposición de ARC en células solares (método PECVD)

El proceso de deposición de la capa antirreflectante en células solares por el método PECVD es el siguiente.

1. Limpieza de la superficie: La oblea de silicio se limpia a fondo para eliminar cualquier impureza, para asegurar una adhesión óptima de la capa de ARC.
2. Preparación de la cámara: La oblea se coloca en un reactor de PECVD, donde se introducen gases controlados.
3. Introducción de gases: Se introduce una mezcla de gases precursores (normalmente SiH₄ (silano) y NH₃ (amoníaco) mezclados con argón (Ar) o Nitrógeno(N2) para poder realizar la deposición de SiNx (nitruro de silicio).
4. Activación del plasma: Se genera un plasma de alta frecuencia que descompone los gases y deposita el material ARC (SiNx:H) como una capa fina y uniforme.
5. Formación de la capa: La capa de SiNx se forma sobre la célula solar con un espesor controlado (normalmente 75-100 nm).
6. Tratamiento final: Las obleas recubiertas se someten a un tratamiento posterior, como el recocido, para optimizar las propiedades eléctricas y ópticas.

¿Por qué el PECVD es el método preferido para depositar las ARC sobre las células solares?

El método PECVD es el más utilizado en la industria fotovoltaica por motivos como los siguientes.

• Control preciso del espesor: Optimiza la reflectancia para diferentes longitudes de onda de luz.
• Pasivación superficial: Reduce la recombinación de portadores, mejorando la eficiencia.
• Escalabilidad: Se utiliza en la producción en masa de células solares de silicio cristalino.
• Baja temperatura de procesamiento: Evita daños térmicos en el sustrato de silicio.

Existen otros métodos, como la deposición de capas atómicas (ALD) y la oxidación térmica, que se utilizan en aplicaciones especializadas, pero son menos comunes en la producción comercial.

¿Cómo se hace el ARC sobre el vidrio del panel solar?

La aplicación de revestimientos antirreflectantes (ARC) en la cubierta de vidrio de los paneles solares implica varias técnicas de deposición para garantizar la uniformidad, la durabilidad y unas propiedades ópticas óptimas. 

Los métodos más comunes utilizados en la industria solar son los siguientes.

• Deposición química en fase vapor (CVD): Proceso en el que precursores gaseosos reaccionan sobre la superficie del vidrio para formar una fina capa de ARC. El método CVD consigue una excelente adherencia y se suele utilizar con revestimientos de SiO₂, TiO₂ y ZrO₂.
• Recubrimiento en fase vapor (PVD): Incluye técnicas como la evaporación térmica en vacío, en las que un material objetivo se vaporiza y condensa sobre la superficie del vidrio, formando una capa ARC uniforme.
• Deposición Sol-Gel: Método basado en líquidos en el que se aplica una solución precursora al vidrio y luego se trata térmicamente para formar una película sólida de ARC. Se trata de un método rentable para revestimientos a base de fluoruro de magnesio MgF₂.
• Recubrimiento por inmersión y por pulverización: Estos métodos implican sumergir o rociar el vidrio con una solución ARC, seguida de un curado con altas temperaturas. Se utilizan en la fabricación a gran escala para aplicar revestimientos AR autolimpiantes.

Cualquiera de estos métodos permiten un control preciso del espesor, el índice de refracción y la rugosidad de la superficie, optimizando el rendimiento del ARC para aplicaciones de vidrio solar.

¿Por qué se utiliza más el depósito químico en fase vapor (CVD) para el ARC en vidrio?

Entre todos los métodos, el depósito químico en fase vapor (CVD) es la técnica más utilizada para el ARC en vidrio solar pues tiene las siguientes ventajas.

• Alta uniformidad: El método CVD aporta un recubrimiento uniforme y sin defectos sobre grandes superficies de vidrio.
• Fuerte adhesión: La capa adherida químicamente mejora la durabilidad y el rendimiento a largo plazo.
• Escalabilidad para la producción en masa: El CVD es óptimo para la fabricación en masa, lo cual es fundamental para la enorme demanda que genera la industria solar.
• Propiedades ópticas estables: Los depósitos producidos por CVD mantienen sus características antirreflectantes durante décadas, incluso en condiciones ambientales adversas.
• Compatibilidad con diseños multicapa: El CVD además puede utilizarse para depositar ARC monocapa y multicapa con el fin de mejorar el rendimiento óptico de banda ancha.

Debido a estas ventajas, el CVD es la opción preferida para la aplicación de ARC sobre vidrio de paneles solares en la producción fotovoltaica moderna.

¿Qué materiales se utilizan para revestimientos antirreflectantes?

Los materiales ARC que más se utilizan y sus propiedades se resumen en la siguiente tabla.

Material	Índice de Refracción (n)	Aplicación en Vidrio o Célula Solar	Principales Ventajas
Dióxido de Silicio (SiO₂)	1.46	Cubierta de Vidrio y Célula Solar	Alta durabilidad, bajo costo, ampliamente utilizado
Fluoruro de Magnesio (MgF₂)	1.38	Cubierta de Vidrio	Excelente transparencia en amplio espectro
Dióxido de Titanio (TiO₂)	2.4	Célula Solar y Cubierta de Vidrio	Alto índice de refracción, propiedades autolimpiantes
Dióxido de Circonio (ZrO₂)	2.1	Cubierta de Vidrio	Alta dureza, excelente estabilidad térmica
Óxido de Aluminio (Al₂O₃)	1.7	Célula Solar	Buena estabilidad UV, químicamente robusto
Nitruro de Silicio (SiNx)	1.9 - 2.9	Célula Solar	Índice de refracción ajustable, alta pasivación