Pesquisadores dos Estados Unidos desenvolveram recentemente uma nova célula solar do tipo TOPCon que utiliza contatos de cobre impressos em tela, alcançando uma eficiência energética de 24,3%. O avanço tecnológico, que substitui parcialmente a prata comercial, ocorreu por meio de um processo de otimização de contato aprimorado por laser, conhecido pela sigla LECO. O objetivo do projeto é baratear a produção de painéis fotovoltaicos em escala industrial sem comprometer o desempenho da geração de energia.
De acordo com informações da PV Magazine, a pesquisa reuniu especialistas do Instituto de Tecnologia da Geórgia, do Laboratório Nacional das Rochosas, que é vinculado ao Departamento de Energia dos EUA, e da empresa de tecnologia Bert Thin Films Inc.
Como funciona o processo de fabricação dessa nova tecnologia?
A técnica LECO consiste na aplicação de um pulso de laser de alta intensidade na parte frontal da célula solar, mantendo uma tensão reversa constante superior a dez volts. Essa corrente elétrica resultante, que chega a vários amperes, reduz significativamente a resistividade de contato entre o semicondutor e o eletrodo de metal. No projeto, os cientistas utilizaram fatias de silício do tipo n de 242,32 centímetros quadrados, que passaram por processos padrão da indústria, como corrosão de danos de serra, texturização de superfície e limpeza meticulosa da estrutura.
As células experimentais receberam uma impressão de prata na parte frontal com 135 linhas de grade e foram aquecidas a 700 graus Celsius. Posteriormente, a pasta de cobre foi aplicada na parte traseira e submetida a temperaturas mais baixas, variando entre 500 e 600 graus Celsius, para evitar a migração indesejada do metal base em direção ao óxido de túnel.
Neste trabalho, demonstramos que o tratamento LECO é muito eficaz para viabilizar contatos de cobre impressos em tela e fixados por calor na parte traseira de uma célula TOPCon. Usamos uma pasta de cobre exclusiva da Bert Thin Films, que ajuda a inibir a difusão do cobre ao formar um fino óxido ao redor das partículas do metal.
Quais são as vantagens de substituir a prata pelo cobre na indústria?
O cobre surge como uma alternativa economicamente viável para a metalização fotovoltaica, um setor que tradicionalmente depende de pastas de prata com altíssimo custo no mercado global de commodities. O autor correspondente do estudo acadêmico, Young Woo Ok, destacou a facilidade de implementação da novidade tecnológica nas linhas de montagem atuais das grandes fábricas.
Todas as ferramentas e processos que usamos neste estudo já estão em uso na indústria fotovoltaica. Só requer a substituição da pasta de prata pela pasta de cobre. O processo pode ser uma alternativa pronta para uso aos contatos de prata na produção.
O tratamento LECO revelou sua eficiência máxima em células aquecidas a 530 graus Celsius. Testes laboratoriais demonstraram que a resistividade de contato caiu drasticamente de cerca de 300 para aproximadamente dez miliohms por centímetro quadrado após o procedimento a laser. Foram observados os seguintes resultados práticos durante os ensaios:
- Células aquecidas entre 500 e 550 graus Celsius mantiveram uma tensão de circuito aberto estável.
- A eficiência final alcançou 24,3%, ficando apenas entre 0,2% e 0,3% abaixo das versões de referência feitas inteiramente com prata.
- Testes de estabilidade térmica realizados a 200 graus Celsius em ambiente de nitrogênio durante mil horas mostraram alterações insignificantes, comprovando a confiabilidade do novo contato metálico.
Qual é o impacto desse estudo para o futuro da energia solar?
A análise microestrutural realizada pela equipe norte-americana confirmou um aumento de coloides e cristalitos confinados à camada de silício policristalino. Esse novo arranjo químico aprimorou as propriedades elétricas de contato sem degradar o fator de preenchimento ou a tensão base da placa solar. Além disso, as imagens de eletroluminescência comprovaram a qualidade superior da ligação após o aquecimento a 535 graus Celsius, eliminando áreas escuras que indicariam possíveis falhas de conectividade elétrica.
A equipe concluiu a pesquisa, que foi publicada na prestigiada revista acadêmica Solar Energy Materials and Solar Cells, enfatizando a oportunidade única de substituir componentes caros por pastas metálicas comercialmente acessíveis. Com a nova pasta da Bert Thin Films podendo ser processada ao ar livre e combinada com componentes comerciais convencionais de prata para a metalização frontal, a expectativa é que os principais fabricantes de painéis solares consigam reduzir os custos operacionais em larga escala no curto prazo.
