Por que as células solares BC são mais propensas a encurvamento e empenamento
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Resposta rápida: As células de contato traseiro são mais propensas a encurvamento e empenamento do que as células de contato frontal porque ambos os contatos de polaridade ficam na parte traseira, de modo que o volume de metalização traseira e a tensão que ele introduz ficam desequilibrados em relação à frente. Quando a célula esfria após a queima, o metal traseiro se contrai contra uma face frontal não metalizada, e o resultado é uma curvatura que pode ser medida em frações de milímetro ao longo de uma célula de 182 mm ou 105 mm. As temperaturas de processamento envolvidas — cerca de 110 °C em etapas posteriores contra uma referência ambiente próxima de 22 °C — determinam quanto de contração diferencial se acumula. O encurvamento importa porque uma célula empenada não se assenta plana no stringer ou no laminado, o que produz erros de posicionamento, espessura irregular do encapsulante após a laminação e, no pior caso, microtrincas na junção.
Fabricação de Módulos Fotovoltaicos · por Jerry, Ooitech
Arqueamento e empenamento de células solares BC
Na intensa competição entre as rotas tecnológicas fotovoltaicas, as células solares BC, ou de contato traseiro, destacam-se por seu design eficiente e visualmente limpo. Sem linhas de grade metálicas na superfície frontal, as células BC tornaram-se uma das direções tecnológicas mais observadas do setor.
Por trás dessa aparência limpa, no entanto, reside um difícil problema de fabricação: as células BC são naturalmente mais propensas a arqueamento e empenamento.
Como especialistas do setor apontaram, todos os eletrodos estão localizados no lado traseiro, portanto a célula é inerentemente propensa à deformação. Durante a montagem do módulo, mais materiais são continuamente adicionados à parte traseira, incluindo adesivo isolante, fita de soldas e pasta de solda. À medida que essas camadas se acumulam, o problema de empenamento pode se tornar cada vez mais sério.
Então, por que as células BC são mais suscetíveis ao arqueamento e empenamento do que as células solares convencionais?
1. A Assimetria Estrutural Cria um Risco Inerente de Empenamento
A característica mais distintiva de uma célula BC é que ambos os eletrodos positivo e negativo são colocados na superfície traseira. Não há linhas de grade metálicas na parte frontal. Esse design melhora a absorção de luz, mas também introduz uma fraqueza estrutural inerente.
Pesquisas indicam que As células BC apresentam empenamento significativamente maior do que TOPCon células com eletrodos distribuídos nas superfícies frontal e traseira. Sob estruturas traseiras semelhantes, as linhas de grade frontais podem compensar parcialmente a deformação causada pela contração na parte traseira.
As células BC não possuem essas linhas de grade frontais. O desequilíbrio de tensões resultante entre as superfícies frontal e traseira torna a deformação cilíndrica mais provável durante a fabricação e o uso.
Essa assimetria estrutural é essencialmente o resultado de tensões desiguais. É semelhante à maneira como um girassol se inclina em direção à luz solar devido a diferentes taxas de crescimento em seus lados sombreado e iluminado. Em uma célula BC, a tensão de contração gerada pelas múltiplas camadas traseiras é muito maior do que a tensão na parte frontal, causando naturalmente o encurvamento da lâmina.
2. Incompatibilidade de Expansão Térmica Entre os Materiais do Lado Traseiro
Várias camadas funcionais devem ser aplicadas na parte traseira de uma célula BC. Além dos eletrodos metálicos convencionais, estas podem incluir materiais isolantes, pasta de solda e fitas de solda. As diferenças nos coeficientes de expansão térmica entre esses materiais são um dos principais fatores de empenamento.
A diferença de expansão entre metal e silício é particularmente significativa. A prata tem um coeficiente de expansão térmica aproximadamente sete vezes maior que o do silício. Durante a fabricação da célula, essa diferença pode gerar tensão térmica substancial entre a metalização de prata e o substrato de silício. O empenamento pode se tornar ainda mais severo após a impressão da pasta de solda.
Os materiais isolantes também desempenham um papel importante. O isolamento é necessário para separar os eletrodos positivo e negativo na superfície traseira, mas o coeficiente de expansão térmica do material isolante difere do da lâmina de silício. Se a área de contato entre o isolamento e a célula for muito grande, o consumo de material aumenta e a tensão causada pela incompatibilidade de expansão térmica também aumenta. Isso pode intensificar o empenamento da célula e levar a riscos de processo, como quebra da célula e células grudando ou se sobrepondo durante o manuseio.
3. A Soldagem Unilateral Produz Tensão Mecânica Desequilibrada
Os módulos BC geralmente usam soldagem unilateral, com todas as fitas de solda concentradas na superfície traseira. Isso é fundamentalmente diferente da soldagem bilateral convencional.
Por exemplo, quando 21 fitas de solda são fixadas a uma célula de 182 mm × 105 mm, ocorre empenamento significativo à medida que a temperatura cai de 110°C para 22°C. Isso acontece independentemente de a espessura da célula ser 0,13 mm, 0,15 mm ou 0,18 mm.
A deformação vem principalmente da tensão térmica desigual gerada durante a soldagem. É um problema estrutural inerente associado à interconexão de face única usada para células BC.
Mais preocupante é que aumentar a espessura da célula não resolve o problema de forma eficaz. Os resultados da simulação mostram que a soldagem de face única pode produzir empenamento de até 4,9 mm. Mesmo quando a espessura da célula é aumentada para 0,18 mm, o empenamento diminui em apenas cerca de 18%. Nas mesmas condições, o empenamento máximo causado pela soldagem de face dupla é de apenas 0,07 mm.
| Condição de soldagem | Condição da célula ou do processo | Comportamento de empenamento relatado |
|---|---|---|
| Soldagem de face única | Célula de 182 mm × 105 mm com 21 fitas | Empenamento significativo durante o resfriamento de 110°C para 22°C |
| Soldagem de face única | Espessura da célula de 0,13 mm, 0,15 mm ou 0,18 mm | O empenamento permanece significativo nas três espessuras |
| Soldagem de face única | Resultado da simulação | O empenamento pode atingir 4,9 mm |
| Soldagem de face única | Espessura aumentada para 0,18 mm | O empenamento é reduzido em apenas cerca de 18% |
| Soldagem de face dupla | Mesmas condições de comparação | O empenamento máximo é de aproximadamente 0,07 mm |
Isso significa que atingir o nível de empenamento da soldagem de face dupla apenas por meio do espessamento da lâmina exigiria uma espessura muito além de 0,18 mm. Isso aumentaria substancialmente o consumo de silício e os custos de material.
O problema também pode continuar durante a laminação. O empenamento assimétrico causado pela soldagem unilateral pode comprimir o encapsulante ao redor das bordas da célula e da área central. O encapsulante pode se tornar mais fino ou até ser perfurado, criando pontos de concentração de tensão local que ameaçam a integridade estrutural e a confiabilidade do módulo a longo prazo.
4. Células Mais Finas e Maiores Amplificam o Problema
A indústria fotovoltaica continua buscando lâminas mais finas para reduzir os custos de silício e formatos de célula maiores para aumentar a potência do módulo. Ambas as tendências podem tornar o empenamento das células BC mais severo. Pesquisas mostram que reduzir a espessura da célula e aumentar o tamanho da célula aumentam significativamente a deformação.
Para uma célula de 210 mm × 210 mm, reduzir a espessura de 150 μm para 70 μm aumenta a deformação reportada de 1,69 mm para 8,25 mm, um aumento de quase cinco vezes.
| Tamanho da célula | Espessura da célula | Deformação reportada |
|---|---|---|
| 210 mm × 210 mm | 150 μm | 1,69 mm |
| 210 mm × 210 mm | 70 μm | 8,25 mm |
Estes números mostram claramente o desafio criado pelo afinamento da wafer. Para uma indústria que procura simultaneamente maior eficiência e custos mais baixos, controlar a deformação enquanto se reduz a espessura do silício tornou-se uma barreira técnica que tem de ser resolvida.
6. Estratégias de Mitigação da Indústria e Perspetivas
A indústria já está a explorar várias formas de gerir a deformação das células BC. As abordagens comuns incluem:
Designs de módulos de meia célula: Dimensões de célula mais pequenas podem reduzir a altura absoluta de encurvamento.
Materiais e larguras de linhas de grelha otimizados: Ajustar as estruturas de metalização pode ajudar a gerir a tensão no lado posterior.
Soldadura a baixa temperatura: Temperaturas de processo mais baixas podem reduzir a tensão térmica durante a interligação.
Prensagem a quente com adesivo condutivo: Isto proporciona uma alternativa aos processos convencionais de soldadura a alta temperatura.
Mecanismos de correção com blocos de pressão curvos: Estruturas de correção especiais podem ser integradas em equipamentos de tabber e stringer para controlar a forma da célula durante o processamento.
Interligação de Fitas com Solda a Baixa Temperatura
Referências
Dong Peng, Investigação sobre Processos de Células Solares de Contacto Traseiro de Tipo N de Alta Eficiência
MeCan Solar, Comportamento de Deformação e Otimização da Estrutura de Linhas de Grelha de Células BC Finas de Grande Formato
Solar and Energy Storage Review, A Aparência Atraente da Soldadura de Um Só Lado Não Consegue Esconder a Deformação e os Riscos Relacionados
Visão da Ooitech
O controlo da deformação tem de ser tratado como uma questão completa do processo do módulo, não apenas como um problema de espessura da célula. A temperatura de soldadura, o layout das fitas, o controlo de pressão, o manuseamento e a laminação têm de ser ajustados em conjunto, especialmente quando são utilizadas células BC finas e de grande formato. Uma pequena deformação deixada sem controlo na fase de interligação pode tornar-se um problema de rendimento ou fiabilidade mais tarde na linha de produção.
