Pesquisadores da Universidade de Nova Gales do Sul (UNSW) da Austrália e do fabricante sino-canadense de módulos fotovoltaicos Canadian Solar investigaram a degradação de células solares industriais TOPCon submetidas a condições de teste acelerado de 85 ºC e 85% de umidade relativa sob o chamado teste de calor úmido (DH85).
“Nossas descobertas destacam a vulnerabilidade das células solares TOPCon à corrosão por contato, enfatizando a reatividade eletroquímica da metalização como um risco potencial para a operação do módulo a longo prazo”, disse o principal autor da pesquisa, Bram Hoex, à pv magazine. “Este estudo fornece informações cruciais sobre os mecanismos de degradação celular do TOPCon, essenciais para otimizar o desempenho e aumentar a confiabilidade a longo prazo desses módulos.”
Hoex explicou que o estudo é complementar ao trabalho anterior do grupo de pesquisa e o expande usando dois tipos de sais contendo sódio, o que permitiu aos pesquisadores observar diferenças nas reações químicas que ocorrem. “Essa compreensão aprimorada da química subjacente que explica a degradação é fundamental para melhorar ainda mais a estabilidade do TOPCon”, acrescentou.
O grupo publicou um primeiro artigo no final de abril, no qual identificou três novos tipos de falhas do módulo solar TOPCon que nunca foram detectadas nos painéis PERC. Este trabalho teve como objetivo avaliar o impacto das listas de materiais (BOM) na confiabilidade das células solares PERC e TOPCon disponíveis comercialmente.
“Os resultados foram bastante surpreendentes para nós”, disse Hoex à pv magazine na época. “Esperávamos que o elastômero de poliolefina (POE) em geral tivesse um bom desempenho, mas identificamos que alguns POEs tiveram um desempenho muito ruim. Isso provavelmente se deve aos diferentes aditivos usados no POE que reagem com o fluxo de solda e a metalização, resultando em corrosão de contato.”
Na nova pesquisa, os cientistas encontraram diferenças significativas entre a sensibilidade da parte frontal e traseira das células solares TOPCon quando a degradação foi induzida por dois sais contendo sódio – bicarbonato de sódio (NaHCO3) e cloreto de sódio (NaCl).
Os acadêmicos realizaram os testes com células solares TOPCon tipo n G1 de 158,75 mm x 158,75 mm com 5 barramentos. Sua eficiência média de conversão de energia foi de 23,1%.
Na parte frontal, os dispositivos foram confeccionados com um emissor difuso de boro revestido com óxido de alumínio (Al2O3) e nitreto de silício (SiNx), além de uma pilha de oxinitreto de silício (SiOyNz) que fornece passivação de superfície e atua como um revestimento antirreflexo (ARC). Na parte de trás, as células apresentavam uma arquitetura TOPCon baseada em uma camada de óxido de silício de tunelamento (SiO2) emparelhada com uma camada de poli-Si dopada com fósforo, bem como um ARC de camada de SiN x.
“A metalização frontal compreendeu uma combinação de prata (Ag) e alumínio (Al, 3-5 at.%) como material condutor, enquanto o contato de metal traseiro consiste apenas em Ag para condução”, explicaram os pesquisadores.
Imagem: UNSW, Solar Energy Materials and Solar Cells, Common License CC BY 4.0
O teste DH85 foi realizado por meio de imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) em cinco amostras de células: células de referência tratadas apenas com água deionizada (DIW); células expostas a NaHCO3 na parte frontal; NaHCO3 na parte traseira; células expostas ao NaCl na parte frontal; e células expostas ao NaCl na parte traseira.
Quanto ao primeiro grupo, os cientistas descobriram que expor as células TOPCon a alta umidade em temperaturas elevadas por longos períodos não levou inerentemente à degradação. Para os demais grupos, no entanto, a degradação da eficiência foi significativa.
“Nosso teste acelerado usando NaCl causa degradação extrema da eficiência de conversão de energia, resultando em uma redução relativa de 92%, enquanto o NaHCO3 resulta em uma redução de eficiência relativa de 5%”, afirmou Hoex. “O mecanismo de degradação primário é um aumento significativo na resistência em série (Rs), provavelmente devido a reações eletroquímicas dentro da pasta de prata-alumínio (Ag / Al).”
“Quando aplicado na parte traseira da célula solar TOPCon, o NaHCO3 aumenta a recombinação e deteriora os contatos, levando a uma redução de eficiência de 16% após apenas 100 horas de testes DH85”, acrescentou Hoex. “Em contraste, o NaCl aumenta principalmente a recombinação e não parece afetar o contato, causando uma perda de eficiência de 4%. Investigações posteriores revelam mecanismos de degradação em contatos metálicos traseiros, particularmente oxidação na interface Ag-Si.
Os cientistas destacaram que as pastas Ag / Al estão expostas a riscos de estabilidade a longo prazo quando expostas a contaminantes em nível de íons e disseram que outras combinações em nível de íons devem ser investigadas.
“Em resumo, este estudo revela que os mecanismos de degradação por contato do TOPCon são significativamente influenciados pela combinação de íons e composições de pasta”, afirmaram os pesquisadores. “Ele oferece informações cruciais sobre os padrões de degradação e fatores subjacentes que afetam os contatos metálicos das células solares TOPCon, potencialmente auxiliando na avaliação da confiabilidade no nível do módulo.”
Suas descobertas estão disponíveis no artigo ““Unveiling the origin of metal contact failures in TOPCon solar cells through accelerated damp-heat testing“, publicado na Solar Energy Materials and Solar Cells. A equipe de pesquisa também incluiu acadêmicos da Universidade de Nantong e da Universidade Jiao Tong de Xangai, na China.
Em outro estudo, publicado no início de abril, a mesma equipe de pesquisa trabalhou com cientistas da fabricante chinesa de painéis Jolywood para projetar um processo de queima assistido por laser na fabricação de células solares TOPCon que pode aumentar a qualidade do contato e a resistência à corrosão, além de reduzir os custos de produção.
Chamada de Jolywood Special Injected Metallization (JSIM), a nova técnica consiste em um processo de queima assistido por laser que utiliza uma pasta de prata (Ag) personalizada para a formação de contato frontal em células solares TOPCon. É uma técnica de queima de baixa temperatura que se destina a facilitar a penetração da pasta através do revestimento antirreflexo frontal da célula.
“A tecnologia JSIM já está em produção de alto volume pela Jolywood e outras empresas também estão desenvolvendo e implementando suas próprias versões de disparo assistido por laser”, disse o principal autor da pesquisa, Bram Hoex, à pv magazine na época. “A Jolywood foi um dos primeiros fabricantes a aumentar a tecnologia TOPCon na produção de alto volume.”
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