Enquanto os processos de fabricação como o TOPCon convencional e a otimização de contatos aprimorada por laser (LECO) continuam a elevar a eficiência das células além de 26%, as demandas impostas às pastas de metalização front-side estão se tornando cada vez mais complexas. Pastas de prata de linha fina agora precisam conciliar requisitos concorrentes em reologia, química da gravura e comportamento de sinterização, muitas vezes com restrições tecnológicas específicas que são difíceis de capturar usando métodos convencionais de avaliação.
Nesse contexto, pesquisadores da Northwest University, na China, propuseram uma estratégia diferenciada de design de materiais combinada com um quadro de avaliação objetiva que conecta diretamente a caracterização laboratorial ao desempenho em linha de produção.
“Para enfrentar as limitações atuais das abordagens convencionais de avaliação, introduzimos três novos parâmetros reológicos projetados para capturar com mais precisão o comportamento da pasta sob condições realistas de processamento”, disse o autor principal da pesquisa, Lin Bao, à pv magazine. “Com base nisso, foi desenvolvido um modelo híbrido de avaliação que combina a hierarquia analítica arocess (AHP) e o método de peso por entropia (EWM) para superar as limitações inerentes às estratégias de ponderação de método único.”
O AHP determina os pesos dos indicadores com base em comparações par a par baseadas em especialistas, traduzindo julgamentos qualitativos em um sistema estruturado de pontuação hierárquica. O EWM, por outro lado, atribui pesos objetivamente de acordo com o grau de variação dos dados, reduzindo a subjetividade ao enfatizar as informações contidas nas medições.
“Além disso, nosso trabalho estabelece uma ligação clara entre caracterização em escala laboratorial e desempenho em linha de produção, permitindo uma tradução mais confiável dos resultados experimentais em resultados industriais”, acrescentou Bao. “Por fim, ao abranger tanto as tecnologias fotovoltaicas LECO convencionais quanto emergentes, o sistema de avaliação proposto é ampliado para uma gama mais ampla de aplicações, ampliando sua aplicabilidade geral no desenvolvimento avançado de metalização de células solares.”
No estudo “Based on silver/glass frit screening & AHP-EWM evaluation: Performance and production verification of TOPCon/LECO photovoltaic fine-grid silver pastes“, publicado em Solar Energy Materials and Solar Cells, a equipe de pesquisa explicou que as arquiteturas TOPCon e LECO requerem comportamentos de vidro-frit fundamentalmente diferentes.
Para o TOPCon, fritas de vidro de baixo ponto de amaciamento são essenciais para permitir o amolecimento precoce e a gravação química da camada de nitreto de silício (SiNx), garantindo baixa resistência de contato. Em contraste, o LECO depende de frits de alto ponto de amolecimento, onde a ablação SiNx assistida por laser define a interface de contato, significando que a fase do vidro serve principalmente funções de adesão e molhação, em vez de gravação agressiva.
Por meio de triagem multitécnica como microscopia eletrônica de varredura (SEM), difração de raios X (XRD), calorimetria diferencial de varredura (DSC), análise termogravimétrica (TGA) e medições de ângulo de contato, os pesquisadores selecionaram materiais adequados para formulação posterior.
Essa triagem levou à identificação de pós de prata de alta atividade, nomeadamente Dowa4-8F, H1-2 e YZ17N1, bem como sistemas de vidro combinado, como TG1 para aplicações TOPCon e LG1 para aplicações LECO. Juntas, essas seleções permitiram o desenvolvimento de formulações específicas de pasta de prata para processos, otimizadas para os requisitos distintos de cada arquitetura de célula.
Os pesquisadores explicaram que a avaliação convencional das pastas de prata depende fortemente do teste de tixotropia de três intervalos (3ITT), que não captura totalmente o comportamento real da linha de produção.
Para resolver isso, introduziram três descritores dinâmicos de reologia – viscosidade relativa, taxa de recuperação relativa e T50 – para melhor descrever a recuperação estrutural durante a transição crítica de 10–20 s entre impressão e sinterização. Esses parâmetros revelaram diferenças claras dependentes da formulação, com um tipo de pasta LECO mostrando recuperação rápida e precoce, enquanto uma pasta TOPCon apresentou uma reconstrução mais lenta, porém mais gradual, que a 3ITT sozinha não conseguiu interpretar totalmente.
Em testes práticos de impressão, os resultados divergiam parcialmente das previsões baseadas em reologia. Embora a análise 3ITT tenha indicado uma formulação ideal, as pastas TOPCon apresentaram melhor uniformidade de linha na prática, com uma formulação específica do TOPCon apresentando menor razão de aspecto e maior rugosidade superficial. A interferometria de luz branca confirmou variações de rugosidade que variam de menos de 0,4 μm a mais de 1,0 μm, destacando que a reologia sozinha é insuficiente para prever com precisão a imprimibilidade.
A sinterização e a caracterização elétrica revelaram ainda que pastas formuladas com pó de prata Dowa4-8F alcançavam a microestrutura mais compacta, enquanto maior porosidade estava associada a maior resistividade. No geral, as pastas LECO demonstraram menor resistividade devido à melhor conectividade de partículas.
O modelo AHP–EWM integrou esses resultados multidomínio e mostrou que uma formulação TOPCon alcançou a maior pontuação entre seu grupo (0,617), enquanto a formulação LECO ficou com a maior classificação geral (0,908). Essas classificações foram consistentes com a verificação em linha de produção, onde a pasta TOPCon de melhor desempenho melhorou a tensão em circuito aberto para 10,47 V e a pasta LECO alcançou eficiência de 26,7% da célula com imagem eletroluminescente estável.
No geral, o estudo demonstra que o desenvolvimento confiável da pasta de prata requer ir além da avaliação de método único para estruturas integradas e orientadas por dados que conectem efetivamente a caracterização laboratorial ao desempenho industrial.
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