Cientistas da Universidade de Nova Gales do Sul (UNSW), na Austrália, investigaram o impacto da degradação induzida por UV (UVID) em células solares com base no projeto de contato passivado por óxido de túnel (TOPCon).
Sua análise se concentrou, em particular, no papel do hidrogênio e da dependência do comprimento de onda na faixa UV, que eles descreveram como ambígua. “O UVID é uma preocupação crescente devido ao uso de encapsulantes transparentes aos raios UV”, relatou o principal autor da pesquisa, Bram Hoex, à pv magazine. “Isso aumenta a eficiência do módulo, mas também expõe as células solares à radiação UV durante a operação.”
Os pesquisadores explicaram que, embora ainda não haja consenso científico sobre as causas do UVID, a principal suposição é que ele seja causado por fótons com energia superior a 3,4 eV, que quebram as ligações entre o silício (Si) e o hidrogênio (H), criando ligações pendentes ativas de recombinação. Estes, por sua vez, criam perdas de recombinação, que afetam principalmente a tensão de circuito aberto da célula.
A novidade do estudo é representada pelo fato de os cientistas considerarem pela primeira vez todo o espectro de radiação UV, que inclui a radiação UV-A, que tem comprimentos de onda entre 315-400 nm e está mais próxima da luz visível, e a radiação UV-B, que é uma forma invisível de radiação solar de alta energia com comprimentos de onda entre 290-320 nm.
“Usamos UV-B para testes acelerados de células TOPCon em condições de laboratório, permitindo avaliações de confiabilidade mais rápidas sem introduzir novos modos de falha”, explicou Hoex, observando que o UV-B geralmente não é percebido como uma grande preocupação, já que os encapsulantes comercialmente disponíveis na indústria fotovoltaica bloqueiam efetivamente a radiação UV-B, levando à ideia de que o módulo TOPCon é totalmente protegido por esse mecanismo de degradação potencial.
A corrida por produtos mais eficientes, no entanto, está levando os fabricantes a usar encapsulantes com maior transmissão UV, o que aumenta os riscos. “O UV-B pode degradar significativamente a passivação da superfície frontal das células TOPCon, levando ao aumento da recombinação da superfície”, explicou Hoex. “Ele pode acelerar o UVID nas células solares TOPCon, produzindo os mesmos efeitos de degradação que o UV-A, mas a uma taxa muito mais rápida.”
Para sua análise, os acadêmicos usaram células TOPCon bifaciais disponíveis comercialmente baseadas em wafers de silício Czochralski (Cz) tipo N medindo 182 mm × 182 mm e com espessura de 140 μm. Os dispositivos tinham um emissor difuso de boro em ambos os lados, que foi passivado por uma pilha multicamada de óxido de alumínio (AlOx) de 5 nm depositada por deposição de camada atômica (ALD) e um revestimento antirreflexo de camada de nitreto de silício (SiNx).
Os pesquisadores também usaram um sistema de lâmpada UV-A e UV-B a uma temperatura de 60 C para fornecer uma dose total de 61,1 kWh / m² para UV-B e 49 kWh / m2 para radiação UV-A para o teste. Eles analisaram, em particular, o comportamento das células antes e depois da liberação de hidrogênio da camada de SiNx.
“Descobrimos que a degradação ocorre principalmente na superfície frontal do TOPCon, impulsionada pela quebra da ligação Si-H e redistribuição de hidrogênio, aumentando a recombinação da superfície, com a superfície traseira mostrando forte resistência aos raios UV devido à camada de poli-Si dopada absorvendo fótons sub-370 nm”, disse Hoex, observando que nenhuma luz e degradação induzida por temperatura elevada (LeTID) foi observada sob exposição UV. “O UV altera a dinâmica do hidrogênio de uma forma que suprime esse defeito.”
Os dados mostraram que a radiação UV quebra as ligações Si-H na interface AlOx/(p+)Si, o que resulta em um aumento nos íons de hidrogênio. “No entanto, o mecanismo exato dessa interação e os efeitos a longo prazo da distribuição alterada de hidrogênio requerem mais investigações”, enfatizaram os cientistas.
O grupo de pesquisa disse que a indústria deve considerar o UV-B em testes acelerados de células TOPCon em condições de laboratório, o que permitiria avaliações de confiabilidade mais rápidas sem a introdução de novos modos de falha. Além disso, os fabricantes devem aproveitar a proteção UV traseira, mantendo espessura de poli-Si suficiente no design, enquanto utilizam encapsulantes resistentes a UV e camadas de filtragem UV para controlar a distribuição de hidrogênio.
Suas descobertas estão disponíveis no estudo “UV-induced degradation in TOPCon solar cells: Hydrogen dynamics and impact of UV wavelength“, que foi publicado recentemente em Materiais de Energia Solar e Células Solares.
Pesquisas anteriores da UNSW mostraram mecanismos de degradação de módulos solares TOPCon industriais encapsulados com acetato de etileno vinil (EVA) sob condições aceleradas de calor úmido, bem como a vulnerabilidade das células solares TOPCon à corrosão por contato e três tipos de falhas de módulos solares TOPCon que nunca foram detectadas em painéis PERC. Além disso, os cientistas da UNSW investigaram a degradação induzida por sódio de células solares TOPCon sob exposição ao calor úmido e o papel de ‘contaminantes ocultos‘ na degradação de TOPCon e dispositivos de heterojunção.
Além disso, outro estudo da UNSW avaliou recentemente o impacto do fluxo de solda nas células solares de heterojunção e descobriu que a composição desse componente é fundamental para evitar grandes rachaduras e descamação significativa.
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