Metalización fotovoltaica: Estado de la práctica, estado del arte y hoja de ruta de la industria

Los sistemas fotovoltaicos de silicio (PV) son uno de los mercados más importantes a nivel mundial para la electrónica impresa. Esto se debe a que cada oblea lleva una pequeña cantidad de pasta de plata serigrafiada. De hecho, éste podría ser el mayor mercado mundial.

El siguiente gráfico, extraído de la hoja de ruta del registro ITRPV 2022, muestra la cantidad de metalización de Ag utilizada por oblea (tanto la metalización frontal como la posterior) por vatio en función del tipo de silicio fotovoltaico (monofacial tipo p, TOPCon tipo n, HJT tipo n, etc.). El estudio muestra que hoy en día se utilizan unas 25-30 toneladas por GW de energía solar para la fotovoltaica HJT tipo n y unas 12-14 toneladas para los tipos monofacial y bifacial. Teniendo en cuenta el tamaño del mercado fotovoltaico, esto se traduce en un mercado de más de 100 toneladas por año.

Como se muestra en los gráficos siguientes, la serigrafía sigue siendo la tecnología predominante para la metalización, a pesar de los intentos a largo plazo de otras tecnologías para hacer incluso una pequeña mella en este espacio. En un futuro a largo plazo, se espera que otras tecnologías, como la metalización sobre capa de semillas o la impresión de plantillas, obtengan un pequeño punto de apoyo, aunque ya hemos escuchado esta historia demasiadas veces.

Existen varias técnicas de serigrafía. La impresión simple y la impresión doble (el dedo y la barra de bus se imprimen por separado en dos pasos distintos) son las técnicas más comunes. La impresión doble (imprimir una segunda capa sobre una pantalla ya impresa para mejorar la relación de aspecto) también es popular. La ventaja de la impresión doble es que se pueden utilizar diferentes tipos de pasta para los dedos y las barras colectoras, lo que da resultados óptimos.

Por supuesto, siempre se tiende a reducir el ancho de las líneas serigrafiadas, pero manteniendo una alta relación de aspecto, un excelente contacto óhmico y una alta conductividad. Esta ha sido la dirección del desarrollo durante años. En la actualidad, el estado de la práctica en la producción es un ancho de línea serigrafiado de alrededor de 34-35um. La industria espera que esto evolucione hasta un ancho de línea de 20um, que es muy estrecho para la serigrafía y representaría un verdadero avance del arte.

En la siguiente diapositiva, se puede ver un ejemplo de Fraunhofer ISE (2019) que demuestra un dedo serigrafiado con un ancho de línea y una altura de 19um y 18um, respectivamente. Esto es, en mi opinión, el estado del arte, y requiere una estrecha colaboración de todos los implicados, desde los fabricantes de mallas inoxidables, hasta los fabricantes de pastas y partículas, pasando por los fabricantes de emulsiones, etc.

Se trata de un mercado increíblemente importante para la industria de la electrónica impresa. Fuera de China, los principales fabricantes de partículas siguen siendo Dowa, Ames Goldsmith, Metalor y Technic. Hay muchos fabricantes de pasta, como Heraeus, DuPont, etc. Por supuesto, dado que el mercado está en China, la cadena de suministro también se ha desplazado hacia allí, con proveedores chinos que han aumentado su cuota de mercado y su capacidad tecnológica. De hecho, sus polvos y pastas ya no son significativamente inferiores al estado del arte.

Para proteger su cuota de mercado, los demás deben hacer evolucionar su tecnología de partículas/polvos y pastas de manera que pueda sostener la hoja de ruta hacia anchos de línea de impresión cada vez más estrechos sin una pérdida de eficiencia. Este es uno de los principios que guían el desarrollo de la tecnología.

Por último, el Fraunhofer ISE publica un excelente y muy detallado informe anual sobre el estado de la industria fotovoltaica mundial. Como se ve a continuación, la producción mundial es ya de la asombrosa cifra de más de 140 GW/año, y el 82% se produce en Asia.

Para soportar la escala de esta industria, cualquier tecnología de metalización requiere tener un excelente rendimiento. La hoja de ruta de ITRPV 2022 también describe el paso de rendimiento para los pasos del backend. Muestra que las máquinas de serigrafía actuales manejan algo así como 7000 obleas por hora (180 x 182 mm2). Se espera que esta cifra aumente a más de 9.000 obleas por hora en una década. Este dato se incluye aquí para mostrar la magnitud del reto al que se enfrentan los procesos alternativos, incluidas las tecnologías sin contacto, como la inyección de tinta.

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