Entendendo as três principais tecnologias de células fotovoltaicas:
Índice
Resposta rápida: As três principais tecnologias de células fotovoltaicas em produção atualmente são PERC, TOPCon e heterojunção (HJT), com arquiteturas de contato traseiro formando uma quarta família construída sobre elas. Elas se distinguem pelo que acontece na superfície da célula e não pelo wafer de silício, que é amplamente o mesmo material do tipo N ou do tipo P em cada caso. PERC adiciona uma camada de passivação e contatos traseiros locais a uma célula do tipo p. TOPCon substitui a parte traseira por um óxido de túnel ultrafino — cerca de 2 nm — sob uma camada de polissilício dopado com cerca de 10 nm de espessura, que passiva a superfície e permite que os portadores tunelam através dela. HJT deposita camadas finas de silício amorfo em ambos os lados e requer temperaturas de processo mais baixas. As diferenças aparecem na eficiência, coeficiente de temperatura, compatibilidade de linha e custo, e cada uma influencia a escolha de equipamento de um fabricante.
Fabricação de Módulos Fotovoltaicos · por Jerry, Ooitech
Introdução
A tecnologia solar fotovoltaica 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, em seguida, detalha as três principais tecnologias de próxima geração que moldam a indústria hoje e, por fim, examina o 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 passam pela 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 de tensão de contato.
TOPCon, HJT e Perovskita"/>
Reduzindo Perdas Elétricas
Escolha wafers com boa estrutura cristalina e do tipo correto.
Desenvolva técnicas ideais de formação de junção pn.
Desenvolva técnicas ideais de passivação.
Adote técnicas razoáveis de contato metálico.
Aplique excelentes tecnologias de campo de superfície frontal e traseira.
Reduzindo Perdas Ópticas
Para reduzir 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 do wafer para reduzir a reflexão, revestimentos antirreflexo 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 célula solar de próxima geração após o 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 alcançam um ganho sólido de eficiência de cerca de 1%.
A face frontal de uma célula TOPCon é essencialmente a mesma de uma célula convencional do tipo N ou N-PERT, consistindo de um emissor de boro (p+), uma camada de passivação e uma camada antirreflexo. A tecnologia central está no contato passivado traseiro: o verso do wafer possui uma camada de óxido ultrafina (1–2 nm) mais um filme fino de silício micro/amorfo dopado com fósforo. Para aplicações bifaciais, a metalização é feita por serigrafia com grades de Ag ou Ag-Al na frente e grades de Ag no verso.
Tunnel Oxide Passivated Contact
O Contato Passivado por Óxido de Túnel (TOPCon) tem atraído atenção significativa recentemente porque alcança uma alta eficiência de conversão de 25,7%. A estrutura TOPCon é composta por um óxido de 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. A TOPCon se destaca como uma candidata promissora entre as tecnologias de células solares de alta eficiência.
Heterojunção HJT
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 a altos níveis, superando até o desempenho da tecnologia PERC mainstream da indústria. As células HJT combinam duas tecnologias diferentes em uma: silício cristalino e filme fino amorfo. Usar essas tecnologias juntas colhe mais energia do que usar qualquer uma isoladamente, alcançando eficiências de 25% ou mais.
Estrutura da Célula HJT
Usando um wafer monocristalino como substrato, um filme intrínseco de a-Si:H de 5–10 nm e, em seguida, um filme de a-Si:H tipo p são depositados em sequência na frente limpa e texturizada do wafer, formando uma heterojunção p-n. No verso do wafer, um filme intrínseco de 5–10 nm e um filme de a-Si:H tipo n são depositados para formar um campo de superfície traseira. Um filme de óxido condutor transparente é então depositado e, finalmente, a serigrafia cria eletrodos coletores metálicos 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 sob condições climáticas extremas. Os painéis HJT têm um coeficiente de temperatura menor 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 melhoria enorme em relação a outras células monocristalinas convencionais.
Economia de custos — O silício amorfo usado em painéis HJT é uma tecnologia fotovoltaica de custo-benefício. Comparado com outras tecnologias, esta abordagem solar de filme fino requer tempo de fabricação mais curto. Graças ao seu processo simplificado, a HJT é mais acessível que soluções alternativas.
Perovskita
Em 2009, materiais de 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
As estruturas de células solares de perovskita mais avançadas baseiam-se 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 batizado em homenagem ao geólogo russo Perovski. Os materiais de perovskita tendem a ter baixa probabilidade de recombinação de portadores e alta mobilidade de portadores, o que os torna 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 por processo de uma etapa ou de duas etapas. Para atender à demanda por filmes de perovskita de grande área e baixo custo, equipamentos de processamento como revestimento por slot-die, impressão e pulverização também são usados para fabricar células solares de perovskita.
O Futuro da Perovskita
A pesquisa futura sobre perovskita provavelmente se concentrará em reduzir a recombinação por meio de estratégias como passivação e redução de defeitos, bem como em melhorar a eficiência incorporando 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. Aumentar 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, respondendo por mais de 90% das vendas do mercado global de células fotovoltaicas.
Em laboratório, a eficiência de conversão de energia das células de silício cristalino ultrapassa 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 em condições de teste padrão.
Limpeza e Texturização
A corrosão remove a camada de dano superficial e texturiza a superfície para formar uma estrutura texturizada que aprisiona 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 da Junção de Difusão e Isolamento de Borda
A difusão térmica e métodos semelhantes 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 certa espessura entre a junção pn e a pastilha para obter uma célula solar de filme fino mais eficiente. Esse processo monitora principalmente o tempo de vida dos portadores minoritários, a espessura da pastilha e o índice de refração.
Deposição de Revestimento 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 aprimorada por plasma (PECVD) para depositar um filme fino na pastilha, que atua simultaneamente 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 linhas de grade são serigrafados na frente da célula, enquanto o campo de superfície posterior e o eletrodo posterior são impressos na parte de trás, seguidos de secagem e sinterização. Durante esse processo, o controle de temperatura, a precisão de alinhamento e a razão altura-largura das linhas de grade são indicadores de monitoramento indispensáveis.
Visão da Ooitech
A ooitech acredita: TOPCon, HJT e perovskita impulsionam a eficiência das células solares cada uma à sua maneira, e um rigoroso controle de qualidade na produção é o que, em última análise, transforma essas tecnologias em módulos confiáveis e de alto desempenho.
