Pesquisadores da Universidade Nacional da Austrália (ANU) publicaram nesta terça-feira (7) um estudo detalhado para quantificar a viabilidade das células solares TOPCon como base em painéis do tipo tandem de perovskita-silício, desafiando a liderança histórica da tecnologia de heterojunção (HJT). De acordo com informações da PV Magazine, a pesquisa visa criar um roteiro realista para que os dispositivos TOPCon permaneçam competitivos no mercado global de energia limpa. Para o Brasil, que consolidou a energia solar fotovoltaica como a segunda maior fonte de sua matriz elétrica e possui forte dependência da importação de equipamentos asiáticos, o barateamento e o aumento da eficiência dessas tecnologias têm impacto direto no custo final para o consumidor nacional. O estudo analisa as diferenças de eficiência, custos de fabricação e escalabilidade industrial entre os dois formatos de condução.
Por que a diferença de tensão entre as células HJT e TOPCon está diminuindo?
Tradicionalmente, os dispositivos da tecnologia HJT alcançam uma tensão de circuito aberto ligeiramente superior devido às camadas de silício amorfo intrínseco, que proporcionam excelente passivação de superfície e reduzem a recombinação de portadores. No entanto, inovações incrementais recentes na tecnologia TOPCon reduziram significativamente essa diferença por meio de contatos passivados por óxido de túnel avançados, resultando em um preenchimento de desempenho superior a 84%.
O autor correspondente da pesquisa, Rabin Basnet, explicou que processos como a queima assistida por laser (LECO) melhoraram a passivação do contato frontal, possibilitando uma tensão de circuito aberto de 740 mV em células recém-produzidas em massa.
“Analisamos inovações incrementais recentes na tecnologia TOPCon e mostramos que a tradicional vantagem de tensão de circuito aberto das células HJT está diminuindo rapidamente, agora se aproximando de uma lacuna de menos de dez mV”, afirmou o especialista na publicação divulgada na revista científica Joule.
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Apesar dessa aproximação, as simulações de painéis em tandem de perovskita e silício de dois terminais indicam que os modelos baseados em HJT ainda alcançam eficiências de conversão de energia um pouco maiores, devido ao fator de preenchimento superior e à corrente de curto-circuito. Contudo, os cientistas decidiram mapear rigorosamente as origens dessa lacuna para estabelecer condições reais de competitividade produtiva.
Quais são as vantagens financeiras da fabricação de tecnologia TOPCon?
A equipe de pesquisa destacou que a produção em massa de TOPCon exige menos qualidade do wafer devido à captação de polissilício, enquanto a arquitetura concorrente necessita de wafers de alta pureza e etapas de pré-captação para mitigar defeitos operacionais. A fabricação do modelo mais barato envolve de oito a dez etapas, incluindo emissores frontais difundidos com boro e contatos traseiros de polissilício com camadas intermediárias de óxido de silício.
Embora o método HJT exija apenas de quatro a seis etapas de baixa temperatura, ele também demanda camadas de silício amorfo e dopado, além de metalização constante, o que mantém sua fabricação contínua muito mais cara. O gasto de capital por gigawatt para linhas de fabricação TOPCon é de duas a três vezes menor que o das linhas HJT, operando com ferramentas de deposição de vapor químico em baixa pressão, enquanto a infraestrutura rival depende de equipamentos aprimorados por plasma dispendiosos.
A modelagem do custo nivelado de energia evidenciou que os painéis baseados em TOPCon podem atingir valores comparáveis ou inferiores aos baseados em HJT. Essa sustentabilidade financeira atraiu o foco estratégico de grandes fabricantes globais de energia fotovoltaica, como JinkoSolar, Trinasolar e Hanwha Qcells, que agora investem fortemente no desenvolvimento de células solares em tandem utilizando esta matriz estrutural.
Como a indústria pretende superar os desafios técnicos do silício?
Apesar do cenário favorável para a expansão em larga escala e custos reduzidos, os acadêmicos alertam que o uso do TOPCon como célula inferior de silício em arquiteturas tandem ainda enfrenta barreiras físicas e térmicas. Superar esses obstáculos é crucial para realizar plenamente os ganhos ópticos e elétricos necessários para impulsionar a eficiência dos terminais industriais a nível global.
Para garantir a estabilidade e otimizar os contatos de polissilício, os pesquisadores propuseram um roteiro focado em engenharia de materiais que inclui os seguintes pontos técnicos de melhoria:
- Texturização dupla face em escala submicrométrica para manter a passivação eficaz em superfícies texturizadas.
- Redução e otimização de espessura nas camadas de polissilício dopado para mitigar a absorção parasitária indesejada.
- Incorporação de camadas de capeamento ricas em hidrogênio para garantir máxima estabilidade durante a integração de alta temperatura da célula superior.
As descobertas atestam que as inovações no nível do dispositivo fornecem compensações sistemáticas que equilibram o desempenho óptico e a recombinação de contato elétrico.
“No geral, nosso trabalho reformula o TOPCon como um caminho realista e compatível com a indústria para a fabricação escalável de células solares tandem de perovskita e silício”, concluiu Basnet, reforçando o potencial destas ferramentas de energia renovável a longo prazo.
