IEC estabelece bases para padrões de módulos solares de silício flexíveis

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Embora as células solares de silício cristalino possuam muitos méritos, incluindo a abundância de materiais, elevada eficiência de conversão de energia e estabilidade operacional, bem como um processo de produção maduro, sempre foi dado como certo que elas não poderiam ser utilizadas em aplicações flexíveis, devido à fragilidade características das pastilhas de silício cristalino (Fig. 1). Por esta razão, os dispositivos eletrônicos de silício são geralmente encapsulados por vidro rígido e/ou folhas traseiras para formar módulos fotovoltaicos monofaciais ou bifaciais tradicionais. Esses módulos representam mais de 95% do mercado fotovoltaico atual.

O caminho para wafers de silício dobráveis

No entanto, a sua baixa relação potência/massa impede a sua instalação em satélites, edifícios, automóveis, roupas e outras superfícies curvas. Minha equipe de pesquisa desenvolveu uma estratégia para fabricar pastilhas de silício dobráveis ​​com um pequeno raio de curvatura de cerca de 4 mm. Quando transformadas em células solares leves e flexíveis de heterojunção de silício cristalino amorfo, a eficiência de conversão de energia é calibrada independentemente para ser superior a 24% (Fig. 2). Quando as células foram encapsuladas em um grande módulo solar flexível (>10.000 cm²), a eficiência de conversão de energia atingiu 22,8%, muito superior à de outros equivalentes flexíveis feitos de materiais econômicos.

Em comparação com módulos bifaciais padrão encapsulados em vidro, a relação peso/potência dos módulos bifaciais flexíveis nesta pesquisa diminui cerca de 95%, potencialmente abrindo caminho para um grande mercado eletrônico autoalimentado em um futuro próximo.

Fig.1: Uma pastilha de silício cristalino racha sob tensão de flexão. Imagem: IEC

 

Figura 2: Certificado. Imagem: IEC

A estabilidade a longo prazo é um problema

Para aplicações flexíveis, deve ser dada especial atenção à sua estabilidade a longo prazo. Por exemplo, microfissuras são induzidas durante o encapsulamento do módulo. Um exame mais detalhado revela que essas microfissuras estão localizadas nas extremidades das tiras de solda (situadas nas bordas do dispositivo). Isto sugere que a tensão máxima de compressão é aplicada quando a extremidade das tiras de solda e a superfície do dispositivo entram em contato. Isto é confirmado por uma análise de elementos finitos usando o software COMSOL Multiphysics. Nossa equipe de pesquisa propôs embotar as pirâmides nas bordas do wafer e converter os canais afiados em forma de V em canais arredondados em forma de U entre as pirâmides da superfície. Ao dispersar a tensão, esta estratégia reduziu a tensão máxima na ordem de uma vez, permitindo que as células solares se tornassem mais resistentes à deformação do wafer e às vibrações frequentes. O raio de curvatura de uma célula de tamanho M2 (156×156 mm) é inferior a 8 mm. Quando encapsulados em grandes módulos de mais de 2 m², eles podem ser enrolados de forma semelhante aos módulos de filme fino feitos de a-Si, orgânicos, CIGS, CdTe e perovskita (Fig. 3). O raio de curvatura menos crítico é inferior a 5 cm, indicando que são adequados para muitos nichos de aplicação. Além disso, estas células solares flexíveis são dispositivos independentes, ao contrário de outras células de película fina depositadas em substratos orgânicos caros ou em aço inoxidável.

O grupo de pesquisa demonstrou aplicações para veículos de alta altitude entre 10 e 100 km. Nesta faixa, a radiação espacial dos raios ultravioleta e das partículas de alta energia não é muito desafiadora. Mais experiências devem ser realizadas para estimar o impacto de tarefas mais extremas antes da implantação futura.

Fig. 3: Grandes módulos fotovoltaicos. Imagem: IEC

Padrões e testes são necessários

Neste estudo, a equipe de pesquisa também observa que não existem padrões de teste detalhados para módulos fotovoltaicos de silício flexíveis. O Comitê Técnico 82 da IEC, que prepara padrões para sistemas de energia solar fotovoltaica, poderia liderar trabalhos nesta área. Uma configuração experimental para testes de vibração ainda não foi determinada. Os parâmetros para testes de flexão incluem raio de curvatura e duração de retenção, e outros métodos de teste podem incluir eletroluminescência, fotoluminescência, análise de corrente-tensão e assim por diante. Finalmente, testes de efeito de deformação são recomendados, pois a força de tração aplicada pode resultar em falhas do encapsulante e destruir os contatos conformes entre o encapsulante e a superfície da célula, bem como os contatos conformes entre as tiras de solda e a superfície da célula.

Zhengxin Liu é especialista em materiais e dispositivos para células solares e tecnologia de medição para células solares. Seus atuais interesses de pesquisa incluem células solares de silício cristalino de alta eficiência, física de estruturas de heterojunção, bem como padronização de células solares. Ele apresenta um resumo do artigo inovador de sua equipe de pesquisa sobre células solares flexíveis de silício cristalino, que foi inicialmente publicado na revista Nature.

A Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) é uma organização global sem fins lucrativos que reúne 174 países e coordena o trabalho de 30.000 especialistas em todo o mundo. As normas internacionais IEC e a avaliação de conformidade sustentam o comércio internacional de produtos elétricos e eletrônicos. Facilitam o acesso à eletricidade e verificam a segurança, o desempenho e a interoperabilidade de dispositivos e sistemas elétricos e eletrônicos, incluindo, por exemplo, dispositivos de consumo como celulares ou frigoríficos, equipamentos de escritório e médicos, tecnologia da informação, geração de eletricidade e muito mais.

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