As células solares de heterojunção (HJT) geralmente atingem uma tensão de circuito aberto ligeiramente superior à dos dispositivos TOPCon, refletindo diferenças na passivação da superfície e nas perdas por recombinação.
A vantagem da tecnologia HJT reside no uso de camadas intrínsecas de silício amorfo, que proporcionam excelente passivação de superfície e reduzem a recombinação de portadores. Embora a tecnologia TOPCon tenha reduzido significativamente a diferença de desempenho por meio de contatos passivados com óxido de tunelamento avançado, ainda persiste uma pequena diferença, contribuindo para o potencial de eficiência ligeiramente superior da HJT.
Com isso em mente, pesquisadores da Universidade Nacional Australiana (ANU) buscaram quantificar essa distância e fornecer um roteiro realista para que a tecnologia TOPCon permaneça competitiva como célula inferior no segmento emergente de células tandem perovskita-silício.
Diferença de tensão em circuito aberto
“ Analisamos inovações incrementais recentes na tecnologia TOPCon e mostramos que a vantagem tradicional de tensão de circuito aberto das células HJT está diminuindo rapidamente, aproximando-se agora de uma diferença de menos de 10 mV”, disse o autor correspondente da pesquisa, Rabin Basnet, à revista pv magazine . “Com base nisso, apresentamos uma modelagem quantitativa do potencial de eficiência de células tandem, comparando células inferiores TOPCon e HJT sob hipóteses realistas. Isso nos permitiu identificar as origens da atual diferença de desempenho e as condições sob as quais as células tandem baseadas em TOPCon podem se tornar competitivas.”
No artigo “ Células inferiores baseadas em TOPCon para células solares tandem de perovskita/silício ”, publicado na revista Joule , Basnet e seus colegas explicaram que, nos últimos dois anos, as células TOPCon conseguiram reduzir a diferença de tensão de circuito aberto em relação às células HJT para menos de 10 mV, com o processo de queima assistida por laser (LECO) aprimorando a passivação do contato frontal e possibilitando uma tensão de circuito aberto de 740 mV em células TOPCon produzidas em massa recentemente.
Além disso, observaram que as inovações na otimização de contato e na metalização aumentaram os fatores de preenchimento do TOPCon para mais de 84%, aproximando-se do desempenho do HJT. No entanto, simulações de células tandem de perovskita/silício de dois terminais (2T) ainda indicam que as células tandem baseadas em HJT alcançam eficiências de conversão de energia mais elevadas devido ao fator de preenchimento e à corrente de curto-circuito superiores.
Produção em massa
A equipe de pesquisa enfatizou que a produção em massa de células TOPCon é menos exigente em termos de qualidade do wafer devido ao tratamento com getter de poli-Si , enquanto a tecnologia HJT requer wafers de alta pureza e etapas de pré-tratamento para mitigar defeitos, aumentando o custo e a complexidade. Ressaltou também que a fabricação de TOPCon envolve de 8 a 10 etapas, incluindo emissores frontais com difusão de boro e contatos traseiros de poli-Si n⁺ com intercamadas de óxido de silício (SiOx), enquanto a tecnologia HJT envolve apenas de 4 a 6 etapas de baixa temperatura, embora também exija camadas de silício amorfo e dopado, deposição de TCO e metalização de baixa temperatura.
“Apesar de envolver menos etapas de processo, a fabricação de células HJT continua sendo mais cara do que a TOPCon”, afirmaram os acadêmicos. “O Capex por GW para linhas de produção TOPCon é aproximadamente duas a três vezes menor do que o das linhas HJT e permanece competitivo com o da tecnologia PERC madura anterior, baseada em wafers do tipo p. Essa vantagem de custo decorre principalmente das diferenças de equipamentos: a TOPCon utiliza ferramentas de deposição química de vapor a baixa pressão ( LPCVD) de baixo custo, enquanto a HJT requer ferramentas de deposição química de vapor assistida por plasma (PECVD) relativamente caras, que representam a maior parte do Capex da linha HJT.”
LCOE
Sustentabilidade e escalabilidade também são apresentadas como restrições adicionais para a tecnologia HJT, especialmente devido aos óxidos condutores transparentes (TCOs) à base de índio, que podem limitar a produção além de 40 GW. A combinação de baixo custo, compatibilidade industrial e alta eficiência da tecnologia TOPCon a torna mais adequada para a fabricação em larga escala de células tandem perovskita/Si, de acordo com os pesquisadores.
Além disso, a modelagem do custo nivelado de energia (LCOE) mostrou que, apesar da eficiência ligeiramente inferior, as células tandem baseadas em TOPCon podem atingir um LCOE comparável ou inferior ao das células tandem baseadas em HJT devido aos custos de fabricação reduzidos. “Essas descobertas refletem o foco estratégico de alguns dos principais fabricantes de painéis fotovoltaicos, como JinkoSolar , Trinasolar e Hanwha Qcells , no desenvolvimento de células solares tandem que utilizam TOPCon como célula inferior”, enfatizaram os pesquisadores.
Apesar desses desenvolvimentos promissores, alguns desafios persistem para o TOPCon como célula inferior de silício em arquiteturas tandem. Entre eles, estão a manutenção de uma passivação eficaz em superfícies texturizadas, a mitigação da absorção parasitária em contatos de poli-Si e a garantia de estabilidade durante a integração da célula superior em altas temperaturas. Superar esses desafios é crucial para alcançar plenamente os ganhos ópticos e elétricos necessários para impulsionar a eficiência das células tandem 2T e exigirá abordagens inovadoras em engenharia de materiais, como texturização submicrométrica, otimização de camadas de poli-Si dopadas mais finas e incorporação de camadas de cobertura ricas em hidrogênio.
“De modo geral, nosso trabalho reformula o TOPCon como um caminho realista e compatível com a indústria para a fabricação em larga escala de células solares tandem de perovskita/silício”, concluiu Basnet.
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