L’impatto dell’irraggiamento elettronico sulle prestazioni delle celle solari Perc e TOPCon

I ricercatori dell’Università del Nuovo Galles del Sud (Unsw) hanno studiato l’impatto dell’irraggiamento elettronico sulle prestazioni delle celle solari Perc e TOPCon, identificando il degrado della vita utile del silicio di massa come la principale causa di perdita di potenza. Il loro lavoro evidenzia la necessità di aumentare la tolleranza alle radiazioni nelle celle solari al silicio commerciali per applicazioni spaziali.

Novembre 24, 2025 Emiliano Bellini

Immagini PL del wafer solare in silicio prima e dopo l'irradiazione elettronica

Immagine: UNSW, Solar Energy Materials and Solar Cells, CC BY 4.0

Gli scienziati dell’Unsw in Australia hanno indagato gli effetti dell’irraggiamento da elettroni sulla resa di celle p-PERC, n-TOPCon e p-TOPCon, scoprendo che tale fenomeno può causare un degrado “severo”.

“Il nostro studio si basa su precedenti ricerche sulla modellazione delle celle solari e sul recupero dei difetti indotto dall’idrogenazione, e mira a orientare la progettazione futura di celle al silicio commerciali più resistenti alle radiazioni per l’uso nello spazio”, ha spiegato a pv magazine il ricercatore responsabile Bram Hoex.

L’irraggiamento elettronico danneggia le prestazioni delle celle solari, soprattutto di quelle impiegate nello spazio, generando difetti fisici nel materiale assorbitore di luce. Nell’ambiente spaziale, gli elettroni ad alta energia provenienti da particelle e brillamenti solari penetrano nel silicio della cella, causando scariche elettrostatiche che compromettono le proprietà elettriche e fisiche delle celle, influenzando parametri come la corrente di corto circuito e la tensione a circuito aperto.

Per i test, il gruppo di ricerca ha utilizzato vari tipi di wafer e celle commerciali al silicio da 158 mm x 158 mm, irradiandole con elettroni da 1 MeV a dosi comprese tra 10¹⁴ e/cm² e 5 × 10¹⁴ e/cm². È stato inoltre sfruttato un misuratore di vita utile Sinton WCT-120 per analizzare la vita dei portatori minoritari, oltre a tecniche di fotoluminescenza (PL) per valutare la gravità dei danni da radiazione.

Tre tipi di celle solari al silicio commerciali — una p-PERC da 158 mm x 158 mm, una p-TOPCon da 166 mm x 166 mm e sei diversi campioni n-TOPCon prodotti da costruttori anonimi tra il 2021 e il 2024 — sono stati esposti a un’irradiazione elettronica da 2,16 × 10¹⁴ e/cm² di elettroni a 5 MeV.

“La caratterizzazione I-V è stata condotta con un tester PVTools LOANA per lo spettro AM1.5G e con un Wavelabs SINUS-220 per lo spettro AM0”, hanno chiarito i ricercatori. “I risultati AM0 sono stati confrontati con i dati raccolti durante missioni spaziali reali. Inoltre, l’efficienza quantica esterna (EQE) è stata misurata con uno strumento PV Measurements QEX7. Il software Quokka 3 è stato impiegato per simulare la risposta ottica, il trasporto e la ricombinazione dei portatori nelle celle al silicio mediante un modello di deriva-diffusione.”

L’analisi ha dimostrato che sia i flussi di elettroni da 1 MeV sia quelli da 5 MeV influenzano in modo significativo le prestazioni del silicio in tutte le celle irradiate. È emerso inoltre che il degrado è particolarmente marcato nelle celle p-TOPCon, a causa della configurazione della giunzione p-n posteriore.

Al contrario, nelle celle n-TOPCon e nei dispositivi p-PERC le perdite sono state attribuite principalmente alla ricombinazione dei portatori fotogenerati dalla luce a lunghezza d’onda maggiore. “I substrati di tipo p hanno mostrato una migliore tolleranza alle radiazioni rispetto alle celle n-TOPCon, grazie alla maggiore mobilità elettronica e al drogaggio con gallio”, ha aggiunto Hoex. “Le architetture con giunzione frontale hanno offerto prestazioni migliori rispetto a quelle con giunzione posteriore p-TOPCon, soggette a perdite di EQE alle lunghezze d’onda più brevi.”

Il team ha inoltre osservato che l’irraggiamento elettronico causa una forte riduzione della vita dei portatori minoritari di massa, passando da circa 75 ms a 0,2 μs a 10¹⁵ e/cm². “Questa perdita di vita utile, più che gli effetti superficiali, rappresenta la principale causa di calo dell’efficienza”, ha spiegato Hoex. “L’analisi DPSS/TIDLS ha identificato i difetti vacanza–vacanza come i principali difetti indotti dalle radiazioni, con una riduzione dell’efficienza fino al 60% sotto irraggiamento equivalente a un’orbita bassa terrestre (LEO), con le celle n-TOPCon che hanno mostrato la maggiore sensibilità.”

I risultati sono stati pubblicati nello studio “Electron radiation-induced degradation of silicon solar cells” su “Solar Energy Materials and Solar Cells”.

Ricerche precedenti dell’Unsw avevano già analizzato l’impatto del flussante di saldatura sulle prestazioni delle celle TOPCon, la degradazione indotta dai raggi UV (Uvid), i meccanismi di degrado dei moduli TOPCon incapsulati con EVA in condizioni di calore e umidità accelerata, nonché la vulnerabilità alla corrosione dei contatti e i diversi tipi di guasti mai osservati nei moduli Perc.
Gli scienziati hanno inoltre studiato la degradazione indotta dal sodio in condizioni di umidità e calore e il ruolo dei “contaminanti nascosti” nella degradazione di celle TOPCon e a eterogiunzione.

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