Desbloqueando a Chave para a Produção em Massa de 730W: O Papel Revolucionário dos Materiais-Alvo de Alta Mobilidade
Em 15 de outubro de 2024, a Risen Energy anunciou o lançamento dos módulos HJT o Hyper-ion Pro, com ultra altas potências de 730Wp+. Ao contrário dos registros de laboratório ou benchmarks de eficiência frequentemente destacados na indústria, este anúncio enfatiza o "poder de produção em massa". Atingir um poder de produção em massa de mais de 730Wp depende de avanços na eficiência das células associados a aplicação otimizada de novos materiais e tecnologias de encapsulamento. Entre esses, os progressos mais cruciais são o desenvolvimento e a aplicação de materiais-alvo de alta mobilidade, impressão serigráfica com tela estêncil totalmente aberta e tecnologias de filme de encapsulamento com conversão descendente UV. Este artigo explora o papel crucial do material-alvo de alta mobilidade na alcançar a capacidade de 730Wp.
O Que São Materiais-Alvo?
Materiais-alvo para pulverização são fundamentais na ciência dos materiais e na fabricação de semicondutores, pois são utilizados no processo de deposição das camadas. Feixes de íons de alta velocidade bombardeiam os materiais-alvo, fazendo com que os átomos sejam pulverizados e se depositem em um substrato, formando um filme fino (Figura 1). A seleção do material-alvo tem uma influência decisiva no desempenho do filme depositado.
Figura 1: Deposição de filme via pulverização de material-alvo
As células HJT têm como camada de cobertura o filme TCO (Óxido Condutor Transparente), que é depositado usando material-alvo (Figura 2). A seleção do material e do processo para produzir o filme TCO é crítica para alcançar alta eficiência nas células solares HJT.
Figura 2: Estrutura de uma célula HJT
Por Que Usar TCO?
Comparado às células de silício cristalino tradicionais BSF, PERC e TOPCon, uma diferença significativa das células HJT é a baixa condutividade do emissor (ou seja, α-Si: H).
Devido a essa característica, coletar corrente apenas através de linhas de grade metálicas nas superfícies frontal e traseira das células solares é insuficiente. Por isso, torna-se importante para essas células a cobertura com filme TCO, que possui tanto condutividade quanto transparência e pode ser usado em muitas ocasiões, especialmente no campo dos dispositivos optoeletrônicos. Nas células solares HJT, o filme TCO é aplicado na camada mais externa da estrutura da célula. Ele pode suportar condutividade, transmitância de luz e antirreflexo (Figura 2).
Por Que é Necessária Alta Mobilidade?
Considerando o duplo papel do TCO, ao prover condutividade e transmissão de luz para células HJT, o filme TCO deve possuir propriedades elétricas e ópticas adequadas, que são interdependentes e devem ser otimizadas simultaneamente para maximizar a eficiência da célula. Portanto, o filme TCO usado em células HJT requer as seguintes propriedades:
Baixa resistividade;
Alta transmitância;
Capacidade de crescimento sob baixa temperatura.
Atualmente, a maioria das pesquisas sobre a melhoria da eficiência das células HJT concentra-se em reduzir a resistividade do filme TCO. Mas como a baixa resistividade e a alta mobilidade se correlacionam? A relação entre resistividade, concentração de portadores livres e mobilidade pode ser descrita pela seguinte equação:
--------------------------- Equação 1
Onde ρ representa a resistividade, q representa a carga do elétron, N é a concentração de portadores livres, e μ é a mobilidade dos portadores. Esta fórmula revela que, para alcançar uma baixa resistividade (ρ), é viável aumentar a concentração de portadores livres (N) ou melhorar a mobilidade dos portadores (μ). No entanto, aumentar excessivamente a concentração de portadores pode levar a uma maior absorção de luz visível dentro do filme TCO, reduzindo a transmitância e, assim, afetando negativamente a eficiência da célula. Portanto, pesquisadores e engenheiros focam principalmente em otimizar a mobilidade dos portadores do filme TCO em vez de maximizar sua concentração de portadores. Consequentemente, a redução da resistividade não é alcançada apenas pelo aumento da concentração de portadores, mas sim pela maximização da mobilidade dos portadores.
De outra perspectiva, as células solares realizam a conversão fotovoltaica absorvendo a luz solar e convertendo-a em energia elétrica. No espectro solar (300–2500nm), a luz visível (400–760nm) representa 43% da energia disponível, enquanto que a faixa de ultravioleta (300–400nm) contribui com 5% e, por sua vez, a faixa de comprimentos de onda maiores, proximos ao infravermelho (760–2500nm), contribui com 52%. Os filmes TCO convencionais têm alta refletância infravermelha, diminuindo o aproveitamento da luz solar nessa faixa.
Melhorar a transmitância do filme TCO na faixa do infravermelho, pode, portanto, aumentar a eficiência das células solares. Melhora-se a transmitância da luz nessa faixa ao se reduzir a concentração de portadores, mas, por outro lado, isso pode aumentar a resistividade do TCO de acordo com a Equação 1.
Desta forma, o desenvolvimento de materiais e processos TCO foca em reduzir a concentração de portadores enquanto maximiza a mobilidade. Isso permite que o TCO mantenha uma boa condutividade enquanto alcança alta transmitância em todo o espectro visível até o próximo infravermelho, aumentando assim a eficiência de conversão da célula HJT.
Pesquisa e Desenvolvimento da Risen Energy e Aplicação de Materiais-Alvo de Alta Mobilidade em Células Solares HJT Hyper-ion
1.Redução Significativa na Resistência da camada de TCO e Melhoria da Mobilidade dos Portadores
Durante o desenvolvimento de materiais-alvo de alta mobilidade, ao controlar precisamente a composição do material e os parâmetros do processo, a Risen Energy aumentou a mobilidade dos portadores em até 29,11% (Figura 3). Esse avanço aumentou a eficiência da conversão fotoelétrica das células solares HJT de alta eficiência em 0,05%. Ao reduzir a concentração de portadores sem comprometer as propriedades elétricas, a absorção de luz no filme é minimizada, permitindo que mais energia luminosa seja convertida em eletricidade e melhorando a eficiência da conversão (Figura 4).
Figura 3: Mudanças na resistência e concentração de portadores de carga na camada TCO
Figura 4: Melhoria na eficiência da célula
2.Aumento da Transmitância na faixa próxima ao Infravermelho e Melhoria do Desempenho EQE
Células HJT que incorporam materiais-alvo de alta mobilidade demonstram uma Eficiência Quântica Externa (EQE) superior. O desempenho EQE é mais alto em todo o espectro visível até o próximo ao infravermelho, comparado à linha de base, e ligeiramente inferior na faixa ultravioleta, aumentando efetivamente a eficiência geral da célula solar.
Figura 5: Efeito na Eficiência Quântica Externa
Perspectivas para a Tecnologia de Filme TCO em Células Solares HJT
Cientistas traçaram um roteiro claro para a otimização de filmes TCO, focando em alcançar escalabilidade de baixo custo na produção em massa. Algumas soluções técnicas já foram implementadas na produção comercial de HJT, enquanto outras ainda estão em desenvolvimento. Inicialmente, materiais e estruturas idênticos eram usados para os filmes TCO em ambos os lados das células solares HJT. No entanto, à medida que a tecnologia progrediu, especialmente nas células solares HJT de junção traseira mainstream, agora é possível usar composições de materiais diferentes para os filmes TCO frontais e traseiros para atender a requisitos de desempenho distintos. Além disso, os filmes TCO de camada única tradicionais muitas vezes lutam para alcançar propriedades ópticas, elétricas e de contato interfacial ideais. Assim, estruturas de TCO de camada dupla ou até múltipla emergiram como estratégias eficazes para melhorar ainda mais a eficiência das células solares HJT (Figura 6), e estas agora estão sendo aplicadas na produção comercial em massa.
Figura 6: Esquema do filme de TCO multicamadas em células HJT
Fonte: “Perovskite/Si Heterojunction Tandem Solar Cells” (Wenzhong Shen)
A pesquisa dedicada e a inovação em tecnologia de células HJT da Risen Energy, particularmente no desenvolvimento e aplicação de materiais-alvo de alta mobilidade, contribuíram significativamente para o crescimento da empresa e o avanço da indústria fotovoltaica global. Avançando, a Risen Energy continuará a abraçar a inovação, liderar os avanços tecnológicos na indústria e apoiar a adoção generalizada de energia renovável, construindo um futuro sustentável e verde.
