Abril 05, 2020

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Conheça as células fotovoltaicas de heterojunção

Recentemente alguns tipos novos de células fotovoltaicas têm surgido no mercado. Você já deve ter ouvido falar dos novos módulos solares baseados em células PERC, HJT ou HIT que os grandes fabricantes orgulhosamente anunciam como seus últimos lançamentos. Falamos sobre as células PERC neste outro artigo: Tecnologia PERC -a nova geração de células fotovoltaicas

Tecnologias HIT e HJT

HJT e HIT são nomes diferentes para a mesma coisa. A técnica HIT foi desenvolvida cerca de 20 anos atrás pela japonesa Sanyo. A expiração da patente em 2010 abriu uma janela de oportunidade para que outros fabricantes voltassem sua atenção para a técnica. HIT significa Heterojunction Intrinsic-layer Technology e ainda é uma marca registrada da Panasonic (que adquiriu a Sanyo), apesar de a patente já ter caído. De forma genérica, a indústria refere-se à técnica como HJT (HeteroJunction Technology). Já se provou ser possível obter células fotovoltaicas HIT com eficiências de mais de 25% em escala laboratorial. Em escala comercial, com HIT é possível fabricar módulos de 60 células com potências de quase 310 W. Para comparação, com a tecnologia convencional (silício não passivado com 300 a 400 micrômetros) os módulos de 60 células não ultrapassam a barreira dos 270 W. Mesmo com a redução da espessura da célula, a técnica HIT eleva a eficiência dos módulos em até 15%.

A técnica HIT consiste na adição de camadas de silício amorfo intrínseco (silício puro, sem impurezas ou dopantes) e camadas de silício amorfo dopado nas duas superfícies da célula. O silício amorfo é um tipo de silício não cristalino. Ele é originalmente usado na fabricação de células solares de filmes finos, uma tecnologia que compete (mas fica muito para trás) com as células mono e policristalinas. Neste caso a deposição de silício amorfo, que ocorre por um processo denominado PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapour Deposition), é usada apenas para a passivação do silício cristalino.

A figura a seguir ilustra a estrutura típica de uma célula HIT. Na parte inferior da célula existe uma camada de metalização com prata (Ag), fabricada pelo processo de deposição PVD (Physical Vapor Deposition). Continuando de baixo para cima, vemos que acima da camada metálica existe uma camada de ITO (óxido de índio e estanho), um material transparente e bom condutor elétrico. Em seguida vemos uma fina camada de silício amorfo (a-Si) do tipo (n) sobreposta por uma fina camada de silício amorfo (a-Si) intrínseco (i). Em seguida encontramos uma grossa camada de silício cristalino (c-Si) do tipo (n), sobreposta por duas outras camadas de silício amorfo (a-Si) intrínseco (i) e silício amorfo (a-Si) do tipo (p). Na superfície da célula, finalmente, encontra-se uma nova camada condutiva de ITO associada a trilhos metálicos (bus bars) de prata (Ag). Essa estrutura corresponde ao estado da arte da tecnologia fornecida pela Meyer Burguer, importante empresa do segmento de tecnologia e equipamentos para a fabricação de células e módulos fotovoltaicos.

Não necessariamente toda célula HIT tem essa mesma estrutura, mas todas têm um princípio comum. O princípio da tecnologia HIT está na existência de pelo menos uma camada de silício cristalino (p) coberta em cada lado por duas finas camadas de silício amorfo intrínseco (i), além de camadas de silício (p) e (n). As camadas de silício intrínseco (i) são responsáveis pela passivação do silício cristalino do tipo (n), enquanto as camadas de silício (p) e (n) agregam funcionalidade à célula. A camada (p) cria um emissor na superfície superior (equivalente à junção p-n, necessária para a criação do efeito fotovoltaico) e a camada (n) cria uma superfície de passivação adicional, que origina um campo elétrico traseiro conhecido como BSF (Back Surface Field), que também ajuda a reduzir a recombinação de elétrons, aumentando ainda mais a eficiência da célula.

Além das vantagens já mencionadas da estrutura HIT, ainda podemos mencionar a redução do coeficiente de temperatura das células, como ilustra a figura a seguir. Um menor coeficiente térmico (da ordem de -0,26%/oC) significa que a eficiência do módulo fotovoltaico sofre menos influência do aumento da temperatura. Em outras palavras, módulos HIT produzem mais energia em locais quentes do que os módulos que empregam células cristalinas convencionais.

Módulos HIT comerciais

Fabricantes como Seraphim e Panasonic disponibilizam módulos HIT no mercado internacional com eficiências que ultrapassam 19%. Abaixo se encontram as características técnicas dos módulos da família HIT Panasonic.

Referências

Photovoltaic Module HIT®: Converting Sunlight into Electricity with the World’s Highest Conversion Efficiency - https://www.panasonic.com/global/corporate/technology-design/technology/hit.html

Surface Recombination Velocity of Local Al-contacts of PERC Solar Cells Determined from LBIC Measurements and 2D Simulation, Energy Procedia, Volume 92, 2016, p. 82-87

Surface Passivation of Crystalline Silicon Solar Cells - A Review, PROGRESS IN PHOTOVOLTAICS] RESEARCH AND APPLICATIONS, Volume 8, 2000, p. 473-487

Advances in surface passivation of c-Si solar cells, Materials for Renewable and Sustainable Energy, 12/2012

Electric Field Effect Surface Passivation for Silicon Solar Cells, Solid State Phenomena, 205-206, 346, Proceedings of XV GADEST

Stable Field Effect Surface Passivation of n-type Cz Silicon, Energy Procedia, Volume 38, 2013, p. 816–822

Momentum builds for HJT, PV Magazine, 09/2017

Panel predictions 2018, PV Magazine, 11/2017

Study on PID resistance of HIT PV modules, Photovoltaic Module Reliability Workshop NREL, 2013

Heterojunction cell technology of Meyer Burger: Production processes and measuring methods, Matthias Seidel, Roth & Rau AG , Hohenstein-Ernstthal, Germany, & Rajesh Ambigapathy, Pasan SA , Neuchâtel, Switzerland

HETEROJUNCTION TECHNOLOGY THE SOLAR CELL OF THE FUTURE, G. Roters, J. Krause, S. Leu, A. Richter, B. Strahm, Meyer Burger

Solar Cells and Arrays:  Principles, Analysis, and Design, Abdelhalim Zekry, Ahmed Shaker, Marwa Salem

Panasonic HIT Heterojunction technology, https://eu-solar.panasonic.net/en/hit-heterojunction-sanyo-panasonic.htm

PERC cell technology explained, https://www.aleo-solar.com/perc-cell-technology-explained/

The Passivated Emitter and Rear Cell (PERC): From conception to mass production, Solar Energy Materials and Solar Cells, Volume 143, 2015, p. 190-197 


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Last modified on Terça, 02 Julho 2019 01:16
Marcelo Gradella Villalva

Especialista em sistemas fotovoltaicos. Doutor (PhD), Mestre e Graduado em Engenharia Elétrica. Docente e pesquisador da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC) da UNICAMP - Universidade Estadual de Campinas. Diretor do LESF - Laboratório de Energia e Sistemas Fotovoltaicos da UNICAMP (http://www.lesf.com.br). Autor de mais de 200 artigos técnicos de alcance internacional nas áreas de eletrônica de potência e sistemas fotovoltaicos. É autor do livro "Energia Solar Fotovoltaica - Conceitos e Aplicações". Pioneiro em treinamentos em sistemas fotovoltaicos no Brasil. É coordenador do programa de Extensão em Energia Solar Fotovoltaica da UNICAMP (http://cursosolar.com.br), onde apresenta cursos de Introdução à Energia Solar Fotovoltaica, Projeto e Dimensionamento de Sistemas com PVSyst e Instalação e Integração de Sistemas Conectados à Rede Elétrica.

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