Pesquisadores do Laboratório Nacional das Montanhas Rochosas (NREL) do Departamento de Energia dos EUA quantificaram a perda de desempenho causada pela luz ultravioleta (UV) em células solares TOPCon e descobriram que as células com alta degradação induzida por UV (UVID) exibem tempos de vida efetivos dos portadores dependentes da injeção e grande variabilidade dentro de uma mesma célula, indicando possíveis inconsistências no processamento.
“A degradação sob exposição aos raios UV é de particular interesse, tanto porque resulta nesse interessante fenômeno de perdas recuperáveis versus não recuperáveis no TOPCon, quanto porque a exposição à luz UV é severamente sub-representada nos testes de qualificação existentes”, disse a autora principal da pesquisa, Dana Kern, à pv magazine. “Isso significa que a sensibilidade aos raios UV pode passar despercebida em produtos fotovoltaicos que são aprovados em outras sequências típicas de testes acelerados. Isso tem sido amplamente reconhecido em nossa comunidade, resultando em esforços globais para padronizar os testes de envelhecimento por UV em células e módulos fotovoltaicos.”
Kern também explicou que os testes de envelhecimento por UV devem levar em consideração os mecanismos de UVID e a metaestabilidade associada, a fim de recuperar a perda de potência relacionada ao armazenamento no escuro antes da caracterização em ambientes de teste acelerados.
“Apenas a perda relevante para o campo deve ser considerada, e a perda de armazenamento no escuro é rapidamente recuperada sob a luz solar, o que limita o impacto dessa metaestabilidade em módulos operando ao ar livre”, enfatizou. “A severidade da degradação do módulo pode ser seriamente superestimada se os módulos permanecerem no escuro após o envelhecimento por UV, ou mesmo se permanecerem no escuro aguardando caracterização após serem removidos do envelhecimento ao ar livre, caso tenham sido afetados por UVID em ambientes externos.”
No artigo “UV-Induced Degradation and Associated Metastability in TOPCon Photovoltaic Modules: Understanding Kinetics and Cell Variance”, publicado na revista Progress in Photovoltaics, Kern e seus colegas investigaram a metaestabilidade para obter mais informações sobre quais mecanismos químicos poderiam estar subjacentes à sensibilidade dos módulos TOPCon à radiação UV.
“Aplicamos uma abordagem não destrutiva ao nível do módulo”, continuou Kern. “Com imagens de eletroluminescência (EL) in situ, observamos a degradação dos módulos durante o armazenamento no escuro por até 500 horas e, em seguida, ligamos luzes de LED UV e vimos os módulos se recuperarem rapidamente em segundos ou minutos. É importante ressaltar que observamos uma ampla distribuição na severidade da degradação durante o armazenamento no escuro para cada célula dentro do mesmo módulo. No entanto, todas as células apresentaram uma resposta semelhante ao longo do tempo, mesmo que a severidade máxima tenha variado de célula para célula.”
Ao ajustar a cinética de eletroluminescência (EL) de cada célula, o grupo de pesquisa também descobriu que a lenta degradação no escuro e a rápida recuperação sob exposição à luz eram consistentes com a conhecida metaestabilidade do aprisionamento de carga no óxido de alumínio (Al₂O₃). “Assumindo que a qualidade da passivação e a vida útil dos portadores são ambas dominadas pelo efeito de campo do Al₂O₃, pudemos relacionar diretamente a intensidade da EL à densidade de carga fixa do Al₂O₃”, explicou Kern. “A partir disso, sugerimos que a liberação de carga no escuro pode diminuir a eficácia da passivação por efeito de campo do Al₂O₃, enquanto o aprisionamento de carga induzido pela luz pode ajudar a manter a densidade de carga negativa e uma melhor qualidade de passivação por efeito de campo, melhorando a vida útil dos portadores quando os módulos estão sob a luz.”
Após observarem que a extensão da UVID e a metaestabilidade variavam entre as células dentro do mesmo módulo, os cientistas questionaram se haveria não uniformidade na sensibilidade à radiação UV mesmo dentro de uma mesma célula. Para investigar isso, realizaram imagens de fotoluminescência (PL) e eletroluminescência (EL) dependentes da intensidade, que revelaram que células com maior perda de armazenamento no escuro apresentam tanto maior severidade de recombinação assistida por armadilhas quanto maior não uniformidade em sua condição de armazenamento no escuro. “Acreditamos que essa variação na dependência do nível de injeção aponta para uma não uniformidade na passivação ou na qualidade da interface, o que esperamos explorar mais a fundo”, afirmou Kern.
Os pesquisadores concluíram que uma degradação não recuperável por UV (UVID) de 2,3% a 3,2% após uma dose equivalente de UV de um ano representa uma degradação severa que excederia os limites típicos de garantia de módulos. Eles acrescentaram que, embora a metaestabilidade recuperável em armazenamento no escuro seja improvável de ser relevante em campo, ela oferece informações sobre os mecanismos de degradação e pode ajudar a diferenciar amostras se for proporcional à UVID não recuperável.
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