Colocar uma camada de silício rica em oxigênio entre uma célula solar e seu contato de metal permitiu aos pesquisadores na Europa quebrar recordes de desempenho para a eficiência com que as células solares de silício convertem a luz solar em eletricidade. Mas o desafio agora é como fazer esses chamados contatos passivadores adequados para a produção em massa.

"Atualmente, há muito entusiasmo sobre contatos passivantes entre a comunidade de células solares, "disse o Dr. Byungsul Min do Instituto de Pesquisa de Energia Solar em Hamelin (ISFH), Alemanha. Este ano, a tecnologia permitiu que seu laboratório batesse um novo recorde de eficiência de 26,1% para o tipo de células solares que domina o mercado fotovoltaico. Os painéis solares comerciais operam atualmente com uma eficiência de cerca de 20%.

Os contatos de passivação consistem em duas camadas finas de silício oxidado e cristalizado imprensado entre uma célula solar e seu contato de metal. Falando para um salão lotado em setembro na Conferência Europeia de Energia Solar Fotovoltaica em Bruxelas, Bélgica, O Dr. Min disse que as camadas funcionam curando ligações atômicas quebradas na superfície do silício e reduzindo o risco de cargas elétricas ficarem presas enquanto fluem para fora da célula solar.

O design foi desenvolvido em 2013 pelo ISFH e pelo Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energia Solar ISE em Freiburg, Alemanha. Nos últimos anos, ele impulsionou a eficiência de conversão de energia dos fotovoltaicos de silício acima de 25% - um teto que limitou a eficiência que os pesquisadores poderiam alcançar no laboratório por mais de uma década.

Fabricação em massa

Ainda, Dr. Min diz que poucos fabricantes até agora adotaram contatos passivadores na indústria. Como parte de um projeto chamado DISC, ele agora está coordenando o trabalho com institutos de pesquisa e fabricantes de equipamentos em toda a Europa para agilizar seus projetos de fabricação em massa.

A fabricação de células solares recordes com contatos de passivação exigiu até agora materiais caros e técnicas de laboratório complexas que Min diz que não podem ser adotadas em linhas de montagem de fábricas. Contudo, livrando-se dessas abordagens sofisticadas e substituindo-as por ferramentas que já são comuns na indústria de células solares, o consórcio DISC espera reduzir os custos de fabricação da tecnologia.

O ISFH substituiu notavelmente uma camada cara e altamente condutora contendo índio que é depositada na superfície da célula para coletar melhor as cargas elétricas do contato passivador. Ajustando as condições de pressão e temperatura durante a produção, O Dr. Min agora pode formar uma camada contendo zinco que apresenta propriedades físicas comparáveis ​​ao usar materiais abundantes.

A fornecedora de equipamentos holandesa Meco está trocando etapas de litografia complexas por técnicas de galvanização que podem metalizar os contatos elétricos de células solares de contato passivador em rendimentos altos o suficiente para linhas de montagem de fábricas.

Durante o ano passado, Amostras do DISC já viajaram pela França, Alemanha, Suíça e Holanda, como parceiros, desempenham seu papel em uma linha de abastecimento internacional. Cada laboratório adiciona uma camada de silício ou outros materiais em que é especializado, gradualmente construindo a pilha de semicondutores em uma célula solar em funcionamento.

"Em agosto deste ano, concluímos nossas primeiras células solares do tamanho da indústria, "disse o Dr. Min." Eles já alcançaram eficiências de conversão de energia acima de 21%. "Isso está dentro da faixa de células solares no mercado hoje.

No próximo ano, O Dr. Min espera que o ajuste fino das camadas desses dispositivos de fábrica ajudará a melhorar seu desempenho acima do da concorrência. Em um setor onde uma diferença de apenas metade de uma porcentagem pode fazer ou quebrar empresas, uma tecnologia com potencial comprovado de mais de 25% de eficiência em laboratório oferece perspectivas atraentes para os fabricantes.

"Temos que buscar maior eficiência de células solares, "concordou Dr. Martin Hermle, um dos pioneiros em contatos passivadores no Fraunhofer ISE. Seu grupo de pesquisa está agora desenvolvendo métodos de deposição industrial para células solares produzidas em DISC, e desenvolver formas de aumentar ainda mais sua eficiência de conversão de energia em outro projeto chamado Nano-Tandem.

"O custo dos painéis solares é amplamente ditado por sua área de superfície. Se você puder fazer células com 30% de eficiência em vez de 20% ou 15%, isso realmente ajuda a reduzir o custo geral da energia solar. "

33% de eficiência

No início deste ano, O Fraunhofer ISE produziu uma célula solar que atingiu uma eficiência impressionante de 33%. Os pesquisadores empilharam uma célula solar de silício que incorporou contatos passivadores com duas células solares adicionais feitas de materiais mais exóticos, com base em elementos do terceiro e quinto grupos da tabela periódica.

"Essas células superiores são boas em absorver tons de azul de luz, mas eles são feitos de elementos relativamente raros, como gálio ou índio, que também são mais lentos para montar do que as células solares de silício convencionais, "disse o Dr. Hermle." Se você quiser competir no mercado de massa, você tem que reduzir o custo da deposição de material em cerca de duas ordens de magnitude. "

Uma solução que o Nano-Tandem está explorando é usar menos deles. Fraunhofer ISE enviou células solares de silício com contatos passivadores para a IBM Research Zürich, onde os parceiros do projeto estão colocando células solares em cima delas, não como camadas sólidas, mas como tapetes de fios com menos de 1000 átomos de largura. A startup Sol Voltaics e a Lund University, na Suécia, estão desenvolvendo uma maneira potencialmente mais barata de fabricar os nanofios, montá-los a partir de moléculas de gás à medida que voam através de uma fornalha tubular.

O coordenador do Nano-Tandem, Professor Lars Samuelson, da Universidade de Lund, diz que as matérias-primas utilizadas são caras, mas os efeitos fotônicos neles podem mudar sua economia. Ele diz que, montado sabiamente, os fabricantes poderiam, em princípio, usar 90% menos material sem muito impacto na eficiência ou absorção de luz de suas células solares.

Esse é o tipo de vantagem inovadora que o Dr. Hermle descreve como crucial para manter os institutos de pesquisa europeus à frente da tecnologia de células solares. À medida que o mercado de células solares dispara para cifras anuais de 11 dígitos, A concorrência asiática está cada vez mais tirando do mercado os fabricantes europeus.

O Dr. Hermle afirma que os contactos de passivação oferecem um exemplo de como a indústria europeia pode permanecer relevante face à concorrência global. “Esta é uma tecnologia que realmente veio da Europa para o mercado de células solares, " ele disse.