Entendendo as Três Principais Tecnologias de Células Fotovoltaicas: TOPCon, HJT e Perovskita

Introdução

A tecnologia fotovoltaica solar evoluiu rapidamente na última década, com várias arquiteturas de células concorrentes elevando a eficiência a novos patamares. Este artigo aborda os princípios fundamentais de funcionamento das células solares, detalha as três principais tecnologias de próxima geração que estão moldando a indústria atualmente e conclui com uma análise do controle de qualidade na produção de células.

Como Funcionam as Células Solares Fotovoltaicas

Uma célula solar converte luz em eletricidade, mas nem todos os fótons incidentes contribuem igualmente. Entender onde a energia é perdida é o primeiro passo para construir células melhores.

• Fótons com energia abaixo do bandgap não são absorvidos e simplesmente atravessam a célula.

• Fótons com energia acima do bandgap são absorvidos e geram pares elétron-buraco, mas o excesso de energia dos fótons de alta energia é parcialmente perdido como calor.

• A separação de cargas e o transporte dos portadores gerados incorrem em perdas na junção pn.

• Perdas por recombinação ocorrem durante o transporte de portadores.

• A resistência de contato introduz uma queda de tensão, causando perdas por tensão de contato.

Reduzindo Perdas Elétricas

• Escolher wafers com boa estrutura cristalina e o tipo adequado.

• Desenvolver técnicas ideais de formação de junção pn.

• Desenvolver técnicas ideais de passivação.

• Adotar técnicas razoáveis de contato metálico.

• Aplicar excelentes tecnologias de campo frontal e traseiro.

Reduzindo Perdas Ópticas

Para reduzir as perdas ópticas e aumentar a eficiência das células, a indústria desenvolveu uma série de abordagens e tecnologias de captura de luz. Estas incluem texturização da superfície da pastilha para reduzir a reflexão, revestimentos anti-reflexo na superfície frontal, revestimentos refletores na superfície traseira e minimização da área de sombreamento das linhas de grade.

TOPCon

TOPCon, também conhecida como tecnologia de contato passivado, é amplamente considerada a tecnologia de células solares de próxima geração após PERC. Comparada com outras novas tecnologias potenciais, como HJT e IBC, a TOPCon pode ser atualizada diretamente a partir de linhas PERC ou PERT existentes. Como resultado, os fabricantes que desejam atualizar suas linhas de produção existentes precisam de um investimento de capital relativamente baixo, enquanto ainda obtêm um ganho sólido de eficiência de cerca de 1%.

A parte frontal de uma célula TOPCon é essencialmente a mesma de uma célula N-type ou N-PERT convencional, consistindo de um emissor de boro (p+), uma camada de passivação e uma camada anti-reflexo. A tecnologia central está no contato passivado traseiro: a parte de trás da pastilha possui uma camada de óxido ultrafina (1–2 nm) mais um filme fino de silício misto micro/amorfo dopado com fósforo. Para aplicações bifaciais, a metalização é feita por serigrafia de grades de Ag ou Ag-Al na frente e grades de Ag na parte de trás.

Contato Passivado por Óxido de Túnel

O Contato Passivado por Óxido Túnel (TOPCon) tem atraído atenção significativa recentemente porque atinge uma alta eficiência de conversão de 25,7%. A estrutura TOPCon é composta por um óxido túnel fino e uma camada de contato de polissilício dopado com fósforo (P). A camada de polissilício dopada com P pode ser fabricada cristalizando a-Si:H ou depositando diretamente polissilício usando LPCVD. TOPCon se destaca como um candidato promissor entre as tecnologias de células solares de alta eficiência.

HJT Heterojunção

A tecnologia de heterojunção (HJT) é um método de fabricação de painéis solares que tem crescido na última década. Atualmente, é um dos processos mais eficazes para elevar a eficiência e a potência de saída a altos níveis, superando até mesmo o desempenho da tecnologia PERC dominante na indústria. As células HJT combinam duas tecnologias diferentes em uma: silício cristalino e filme fino amorfo. O uso conjunto dessas tecnologias colhe mais energia do que usar qualquer uma delas sozinha, alcançando eficiências de 25% ou mais.

Estrutura da Célula HJT

Usando uma pastilha monocristalina como substrato, um filme intrínseco de a-Si:H de 5–10 nm e depois um filme de a-Si:H tipo p são depositados em sequência na frente limpa e texturizada da pastilha, formando uma heterojunção p-n. Na parte de trás da pastilha, um filme intrínseco de 5–10 nm e um filme de a-Si:H tipo n são depositados para formar um campo de superfície traseiro. Um filme de óxido condutor transparente é então depositado e, finalmente, a serigrafia cria eletrodos coletores de metal no topo de ambos os lados, construindo uma célula solar HJT simétrica.

Vantagens das células HJT

• Flexibilidade e adaptabilidade — Esta tecnologia foi desenvolvida para excelente capacidade de produção mesmo em condições climáticas extremas. Os painéis HJT têm um coeficiente de temperatura menor do que os painéis convencionais, garantindo alto desempenho em temperaturas externas elevadas.

• Vida útil esperada — Em média, os módulos fotovoltaicos de filme fino podem durar até 25 anos, enquanto as células HJT podem continuar operando normalmente por mais de 30 anos.

• Maior eficiência — A maioria dos painéis de heterojunção no mercado hoje tem eficiências entre 19,9% e 21,7%, uma grande melhoria em relação a outras células monocristalinas convencionais.

• Economia de custos — O silício amorfo usado nos painéis HJT é uma tecnologia fotovoltaica de baixo custo. Comparado com outras tecnologias, esta abordagem solar de filme fino requer menor tempo de fabricação. Graças ao seu processo simplificado, o HJT é mais acessível do que soluções alternativas.

Perovskita

Em 2009, materiais perovskita foram usados pela primeira vez para alcançar uma eficiência fotovoltaica de 4%. Em 2021, células solares de perovskita de junção única (PSC) atingiram uma eficiência de 25,5%. A rápida melhoria das células de perovskita as tornou uma estrela em ascensão no campo fotovoltaico e despertou grande interesse na academia. Como seus métodos de operação ainda são relativamente novos, há muitas oportunidades para estudar mais a fundo a física e a química subjacentes da perovskita.

Estrutura da célula de perovskita

A maioria das estruturas avançadas de células solares de perovskita é baseada em cinco componentes: um óxido condutor transparente, uma camada de transporte de elétrons (ETL), a perovskita, uma camada de transporte de buracos (HTL) e um eletrodo metálico. Compreender e otimizar os níveis de energia e as interações de diferentes materiais nessas interfaces é uma área de pesquisa muito empolgante que ainda está em discussão ativa.

CaTiO3

Perovskita é o nome de um mineral, descoberto em 1839 por Rose nos minerais rochosos dos Montes Urais e nomeado em homenagem ao geólogo russo Perovski. Os materiais de perovskita tendem a ter baixa probabilidade de recombinação de portadores e alta mobilidade de portadores, tornando-os materiais ideais para células solares.

Métodos de formação de filme de perovskita

A chave para melhorar a eficiência de conversão de energia das células solares de perovskita está em otimizar a morfologia do filme. Os métodos de formação de filme comumente usados em laboratório são a deposição em uma ou duas etapas. Para atender à demanda por filmes de perovskita de grande área e baixo custo, equipamentos de processamento como revestimento por fenda, impressão e pulverização também são usados para fabricar células solares de perovskita.

O futuro da perovskita

A pesquisa futura sobre perovskita provavelmente se concentrará na redução da recombinação por meio de estratégias como passivação e redução de defeitos, bem como na melhoria da eficiência pela incorporação de perovskitas bidimensionais e materiais de interface mais otimizados. As camadas de extração de carga podem mudar de materiais orgânicos para inorgânicos para melhorar a eficiência e a estabilidade. Melhorar a estabilidade e reduzir o impacto ambiental continuam sendo áreas importantes.

Controle de qualidade na produção de células solares fotovoltaicas

As células fotovoltaicas de silício cristalino são as células mais comuns em painéis solares comerciais, representando mais de 90% das vendas globais de células fotovoltaicas.

Em laboratório, a eficiência de conversão de energia das células de silício cristalino excede 25% para células monocristalinas e atinge 20% ou mais para células policristalinas. No entanto, os módulos solares produzidos industrialmente atualmente alcançam apenas 18%–22% de eficiência sob condições de teste padrão.

Limpeza e texturização

A corrosão remove a camada de danos superficiais e texturiza a superfície para formar uma estrutura texturizada que captura a luz e reduz as perdas por reflexão. Medir a refletância da superfície texturizada é um meio importante de monitorar o processo de texturização.

Formação de junção por difusão e isolamento de borda

A difusão térmica e métodos similares formam uma camada de difusão de um tipo de condutividade diferente na pastilha, criando a junção pn. Diferentes tipos de células depositam uma camada de passivação de uma certa espessura entre a junção pn e a pastilha para obter uma célula solar de filme fino mais eficiente. Este processo monitora principalmente o tempo de vida dos portadores minoritários, a espessura da pastilha e o índice de refração.

Deposição de Camada Antirreflexo

Para melhorar ainda mais a absorção de luz, um filme antirreflexo é aplicado sobre a superfície da pastilha. Atualmente, a indústria usa deposição química de vapor assistida por plasma (PECVD) para depositar um filme fino na pastilha, que simultaneamente atua como camada de passivação. Nesta etapa, as principais medições são a transmitância do filme antirreflexo e a uniformidade da resistência de folha.

Fabricação de Eletrodos

Eletrodos de grade são impressos por serigrafia na parte frontal da célula, enquanto o campo de superfície traseira e o eletrodo traseiro são impressos na parte posterior, seguidos de secagem e sinterização. Durante este processo, o controle de temperatura, a precisão do alinhamento e a relação altura-largura das linhas de grade são indicadores de monitoramento indispensáveis.

Visão da Ooitech

ooitech acredita: TOPCon, HJT e perovskita cada um impulsiona a eficiência das células solares à sua maneira, e o controle rigoroso da qualidade da produção é o que, em última análise, transforma essas tecnologias em módulos confiáveis e de alto desempenho.