Pesquisadores da Universidade de New South Wales (UNSW), na Austrália, buscaram melhorar a eficiência das células solares TOPCon reduzindo a espessura das camadas de polissilício (poly-Si) usadas nesses dispositivos fotovoltaicos, para melhorar a passivação e o transporte de portadores.
“Em nosso trabalho, o afinamento é aplicado apenas localmente na camada traseira de poli-Si, enquanto a espessura da pastilha de silício cristalino permanece inalterada”, disse o autor principal da pesquisa, Ning Song, à pv magazine. “Como resultado, a integridade mecânica da própria pastilha não é diretamente afetada. As regiões de poli-Si localmente diluídas permanecem suportadas pelo substrato cristalino de silício subjacente, e o processo não introduz fragilidade mecânica adicional no nível da pastilha.”
No artigo “Mitigating parasitic optical losses in bifacial TOPCon solar cells through localized thinning of polysilicon“, publicado na Solar Energy Materials and Solar Cells, a equipe explicou que a perda óptica parasita na camada poli-Si é uma limitação fundamental para células TOPCon. Fótons de comprimento de onda longo podem alcançar a parte traseira da célula e ricochetear, entrando na camada de poli-Si, onde parte da energia é perdida em forma de calor em vez de gerar eletricidade.
Estudos anteriores mostraram que o afinamento da camada de poli-Si pode reduzir a absorção parasitária. No entanto, o afinamento excessivo aumenta as perdas por recombinação devido à pasta metálica que chega à pastilha de wafer. Para resolver isso, os pesquisadores da UNSW usaram um método de diluição local induzido por laser para reduzir a camada de poli-Si em áreas não metalizadas, mantendo sua espessura intacta em regiões metalizadas.
A equipe implementou um processo local de diluição em três etapas integrado ao fluxo padrão de fabricação do TOPCon para produzir dispositivos TOPCon de baixa temperatura (LT-TOPCon). Uma camada de óxido interfacial de 1,3 nm foi depositada por oxidação por plasma em uma câmara física de deposição de vapor (PVD), seguida pela deposição de uma camada de poli-Si de 110 nm a 250 °C. A ativação do dopante foi alcançada por meio de recozimento a 860 °C por 50 minutos. Um laser UV de picosegundo de 355 nm foi usado para induzir amorfização em regiões selecionadas da camada de poli-Si.
“Após a etapa do laser, as pastilhas foram gravadas em uma solução de hidróxido de sódio (NaOH) com 0,1% de peso a 40 °C para reduzir a espessura de poli-Si nas regiões não laseradas para aproximadamente 30 nm. Subsequentemente, uma camada de óxido de alumínio (AlOx) foi depositada na parte frontal, e camadas de nitreto de silício (SiNx) foram aplicadas em ambos os lados. Os precursores foram recozidos na mesma câmara de PECVD para ativar a passivação do SiNx traseiro e da pilha AlOx/SiNx frontal”, explicaram os pesquisadores.
A equipe também utilizou o Quokka 3, uma ferramenta de simulação para células solares de silício, para avaliar a corrente de curto-circuito e a eficiência geral dos novos dispositivos.
A célula campeã LT-TOPCon alcançou uma eficiência de conversão de potência de 25,10%, representando uma melhoria absoluta de 0,12% em relação a uma célula de referência eficiente de 24,98% fabricada sem o novo processo. A célula também atingiu um fator de preenchimento de 83,37%, ligeiramente abaixo dos 83,45% da referência, enquanto a tensão em circuito aberto aumentou marginalmente de 727,9 mV para 729,8 mV. “Isso indica que o processo LT preserva ou até melhora a passivação superficial apesar do afinamento poli-Si”, observou a equipe.
Além disso, a célula demonstrou uma melhora de 6,6% na bifacialidade, e os pesquisadores preveem um ganho absoluto adicional de 0,35% por meio de doping induzido por laser otimizado, maior uniformidade do processo e esquemas avançados de metalização.
“O processo proposto foi projetado para ser compatível com os fluxos de fabricação existentes do TOPCon e depende de etapas relevantes para a indústria, como processamento a laser e gravação química úmida, tornando-o promissor do ponto de vista da integração de processos”, concluiu Song.
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