Módulos solares: tecnologia de células solares PERC versus TOPCon

Embora a primeira célula solar, desenvolvida nos EUA em 1954, fosse do tipo N, a célula do tipo P tornou-se dominante nos anos subsequentes. Isso ocorreu porque, inicialmente, os módulos eram utilizados principalmente na indústria aeroespacial, onde se mostraram mais robustos. Somente nos últimos anos os fabricantes de células solares começaram a repensar sua abordagem, devido à maior potência de saída das células do tipo N. Isso se deve principalmente à maior vida útil dessas células, já que, diferentemente das do tipo P, elas não são suscetíveis ao "defeito boro-oxigênio". Esse defeito leva a uma diminuição da eficiência ao longo do tempo. Além disso, as células solares do tipo N são menos propensas a impurezas metálicas no silício.

Na tecnologia fotovoltaica (FV), até mesmo as menores discrepâncias na composição química podem levar a diferenças significativas em eficiência e viabilidade econômica. Um excelente exemplo é a comparação entre células solares do tipo P e do tipo N. Elas diferem em sua estrutura: as células solares do tipo P são baseadas em um substrato de silício com carga positiva, enquanto as células solares do tipo N são projetadas de maneira oposta, com o lado dopado negativamente servindo como base da célula.

No entanto, as células solares do tipo N são atualmente mais caras de produzir, devido a décadas de foco nas células do tipo P. A produção destas últimas gerou economias de escala na cadeia de valor, que ainda precisam ser estabelecidas para a fabricação das células do tipo N. Além disso, a produção de módulos solares do tipo N envolve etapas adicionais, o que aumenta ainda mais os custos. Contudo, devido à sua maior eficiência, a participação de mercado das células do tipo N está aumentando constantemente, e é provável que seja apenas uma questão de tempo até que elas substituam as células do tipo P como a tecnologia dominante de células solares.

Uma rivalidade semelhante entre dois tipos de células pode ser observada ao comparar as tecnologias de células solares PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) e TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact), que recentemente causaram grande repercussão.

Os módulos PERC aumentam a eficiência dos módulos fotovoltaicos porque convertem a luz incidente em energia de forma mais eficaz. Isso é conseguido refletindo a porção de luz que atinge a parte traseira da célula de volta para ela. Isso é possível graças a uma camada aplicada na parte traseira do módulo, conhecida como passivação traseira. O aumento de eficiência das células PERC em comparação com os módulos convencionais é de 1%, o que, por sua vez, ajuda a reduzir os custos de produção por kWp gerado.

Para atingir a máxima eficiência, as células PERC utilizam principalmente wafers monocristalinos. Este tipo de célula solar passou por um desenvolvimento significativo nos últimos anos. O aumento da eficiência levou à sua substituição quase completa das células convencionais de alumínio com revestimento de fibra dopada com boro (Al BSF) em sistemas fotovoltaicos profissionais. No entanto, as células PERC não são uma novidade; seu princípio foi descrito pela primeira vez em 1983 pela Universidade de Nova Gales do Sul, na Austrália. Foi somente através de processos de produção continuamente aprimorados que o potencial da tecnologia pôde ser plenamente realizado para a produção em massa.

No entanto, a tecnologia PERC não está isenta de problemas. Essas células são mais suscetíveis à degradação induzida pela luz (LID) do que as células convencionais. Esse efeito LID causa uma queda no desempenho das células solares após a primeira exposição à luz. O risco de degradação induzida por potencial (PID) também é maior. Os defeitos de PID podem ter consequências de longo alcance, pois podem reduzir significativamente a produção de sistemas fotovoltaicos inteiros. Portanto, os investidores devem prestar atenção especial para garantir que as células PERC sejam certificadas quanto à resistência à PID de acordo com a norma IEC TS 62804.

Uma estrela em ascensão na tecnologia de células solares é a TOPCon, desenvolvida no Fraunhofer ISE em Freiburg. Essas células podem ser mono e bifaciais e, ao contrário da PERC, utilizam principalmente wafers do tipo N. Elas exibem um potencial de eficiência maior em comparação com a PERC. A fabricante chinesa Jinko Solar demonstrou o quão alto esse potencial pode ser no ano passado, apresentando um módulo solar TOPCon monocristalino bifacial do tipo N com eficiência de até 23,53%. O módulo TOPCon da Longi Solar, apresentado em 2021, alcançou um desempenho ainda maior. Utilizando uma célula TOPCon do tipo P, estabeleceu um novo recorde mundial de eficiência para essa tecnologia, atingindo 25,19%. Dado o rápido progresso, é provável que seja apenas uma questão de tempo até que esse recorde seja superado. A pesquisa intensiva nesses módulos garantirá que o desenvolvimento continue por muito tempo.

Embora o desempenho das células solares TOPCon seja difícil de superar, a tecnologia PERC ainda domina o mercado. É provável que isso continue por algum tempo devido ao aumento contínuo da eficiência das células e à redução simultânea dos custos de produção.

No entanto, as células TOPCon estão ganhando terreno devido à sua eficiência excepcionalmente alta. Atualmente, os altos custos de produção representam uma desvantagem para esse tipo de sistema fotovoltaico. Contudo, espera-se que as economias de escala sejam significativas com o aumento da produção em massa, o que permitiria que os módulos TOPCon se tornassem concorrentes de peso da tecnologia PERC na Alemanha. Pesquisadores do Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energia Solar (ISE) confirmam essa tendência. Segundo eles, além da redução dos custos de fabricação, é necessário aumentar a produção para o nível das células PERC para estabelecer a viabilidade econômica dos módulos TOPCon.

De acordo com as descobertas dos cientistas, a tecnologia TOPCon resulta em custos totais de células solares 13,5% a 18,6% maiores e custos totais de módulos 3,6% a 5,5% maiores em comparação com a tecnologia PERC em sistemas fotovoltaicos instalados no solo com capacidade de 5 megawatts. No entanto, os pesquisadores do Fraunhofer ISE observaram que a eficiência das células solares TOPCon, 0,4% a 0,55% maior em comparação com as células bifaciais p-PERC, possibilita uma produção em massa com custo-benefício vantajoso.

Independentemente de serem utilizadas células solares do tipo N ou do tipo P, existe uma forma de aumentar significativamente a eficiência dos módulos solares: a tecnologia bifacial. Ao contrário das células solares monofaciais, que geram energia fotovoltaica apenas quando a sua superfície superior está iluminada, as células solares bifaciais são concebidas para gerar energia tanto na superfície superior como na inferior. Esta maior absorção de luz melhora consideravelmente a eficiência do módulo.

Naturalmente, a eficiência na face inferior não é tão alta quanto na face superior, que fica voltada para o sol. No entanto, dependendo da localização, da distância do solo e das condições externas, a eficiência pode aumentar em mais de 19% devido ao aumento da irradiação na face inferior. Isso pode levar a um aumento na capacidade total do sistema entre 10 e 30 Wp. Por exemplo, a potência de saída de um módulo que antes fornecia 290 Wp pode aumentar para 320 a 360 Wp.

Ao instalar sistemas bifaciais, é importante garantir que sejam montados a uma distância suficiente da superfície abaixo para permitir a transmissão adicional de luz. Para superfícies com refletividade baixa a média, como telhados de telha ou grama, a distância mínima deve ser de pelo menos 40 centímetros. Para superfícies altamente refletivas (por exemplo, neve), a distância até o solo deve ser superior a 1,5 metros.

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