Pesquisadores do Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energia Solar (Fraunhofer ISE), na Alemanha, desenvolveram um método puramente elétrico capaz de determinar as correntes das duas subcélulas em células solares tandem de perovskita-silício em questão de milissegundos. Essa abordagem inovadora explora o reservatório de carga capacitivo inerente à célula inferior de silício, prometendo otimizar significativamente o processo de fabricação e controle de qualidade desses dispositivos de alta eficiência.
Avanço Crucial para a Produção em Massa
A tecnologia das células tandem de perovskita-silício está avançando rapidamente em direção à produção em massa, mas um dos grandes desafios enfrentados pelos fabricantes era a falta de um método eficiente para verificar o balanço de corrente entre as duas subcélulas em velocidade de produção. As técnicas existentes, como a resposta espectral ou a análise espectrométrica, demandam horas e exigem configurações ópticas complexas, tornando-as inviáveis para o controle de qualidade em linha.
"As células tandem de perovskita-silício estão caminhando rapidamente para a produção em massa, mas os fabricantes não tinham uma maneira de verificar o balanço de corrente entre as duas subcélulas na velocidade de produção", explicou Christoph Messmer, líder do projeto de pesquisa, à pv magazine. "As técnicas existentes, como a resposta espectral ou a análise espectrométrica, levam horas e exigem configurações ópticas complexas, tornando-as inadequadas para o controle de qualidade em linha. Nosso método preenche essa lacuna: ele determina as correntes de ambas as subcélulas em milissegundos, usando apenas o teste padrão de corrente-tensão que já é realizado em cada célula."
A nova metrologia desenvolvida pelo Fraunhofer ISE fecha essa lacuna, permitindo a medição das correntes das subcélulas em milissegundos, utilizando apenas o teste padrão de corrente-tensão (I-V) que já é parte integrante do processo de produção de cada célula. Isso significa que não há necessidade de hardware adicional, fontes de luz ou filtros espectrais, facilitando a integração direta em testadores em linha já existentes.
Funcionamento da Metodologia Inovadora
A ideia central por trás dessa inovação reside na exploração do próprio reservatório de carga capacitivo da célula inferior de silício. Um pré-polarização direta curta é aplicada para carregar esse reservatório, e um passo de tensão subsequente desencadeia um excesso de corrente. A análise desse transiente revela um platô limitado pela perovskita, seguido por um estado estacionário limitado pelo silício. Dessa forma, ambas as correntes das subcélulas são obtidas a partir de uma única medição, que dura apenas milissegundos.
"A ideia chave é explorar o próprio reservatório de carga capacitivo da célula inferior de silício", disse Messmer. "Uma pré-polarização direta curta carrega esse reservatório, e um passo de tensão subsequente desencadeia um excesso de corrente. A análise desse transiente revela um platô limitado pela perovskita, seguido pelo estado estacionário limitado pelo silício — nos dando ambas as correntes das subcélulas a partir de uma única medição em escala de milissegundos. Como o método não requer hardware adicional, fontes de luz ou filtros espectrais, ele pode ser integrado diretamente em testadores em linha existentes. Isso torna a amostragem 100% em linha possível pela primeira vez, permitindo que os fabricantes detectem desvios na deposição de perovskita ou variações na pilha óptica em tempo real, antes que levem à perda de rendimento."
No artigo "Inline millisecond subcell current metrology for perovskite/silicon tandem solar cells" (Metrologia de corrente de subcélula em linha em milissegundos para células solares tandem de perovskita/silício), publicado na revista Joule, Messmer e seus colegas detalharam que a célula inferior de silício geralmente limita a corrente de estado estacionário quando gera menos fotocorrente do que a célula superior de perovskita. O método temporariamente remove essa limitação aplicando uma polarização direta, idealmente próxima à tensão de circuito aberto, para armazenar carga em excesso na célula de silício.
O dispositivo é então rapidamente comutado para uma tensão mais baixa, fazendo com que a carga armazenada seja descarregada. Durante esse breve período, a corrente de descarga adicional impede que a célula de silício limite a corrente do tandem, o que significa que a corrente medida corresponde diretamente à corrente da subcélula de perovskita. Uma vez que a carga armazenada é esgotada, a célula de silício volta a ser a limitante de corrente, e a corrente medida cai para a corrente da subcélula de silício. Assim, os dois níveis de corrente podem ser usados para determinar separadamente as correntes das subcélulas de perovskita e silício em um dispositivo tandem de dois terminais.
Validação e Aplicações Práticas
Os cientistas testaram a metodologia por meio de simulações e experimentos. As simulações demonstraram que, após o pré-condicionamento em circuito aberto e a rápida comutação para curto-circuito, a corrente tandem pode exibir dois platôs distintos. O primeiro corresponde à corrente da perovskita, enquanto o segundo aparece após o esgotamento do reservatório de carga de silício e corresponde à corrente do silício. O tempo entre os dois platôs depende do desajuste de corrente entre as subcélulas.
A equipe demonstrou experimentalmente o método em uma pequena célula tandem interna e, posteriormente, em um dispositivo industrial de tamanho real. Para a célula industrial, varreduras rápidas de cerca de 7 milissegundos a 12 milissegundos produziram dois platôs claros que corresponderam de perto às correntes das subcélulas obtidas por meio da caracterização espectrométrica convencional, que exige mais de uma hora. As medições também foram altamente reprodutíveis, com um desvio padrão relativo inferior a 0,1%, segundo a equipe de pesquisa, indicando que varreduras rápidas repetidas não degradaram o dispositivo de forma mensurável.
Para medições práticas, o método pode ser integrado a uma varredura j-V (densidade de corrente versus tensão) reversa rápida padrão. Quando a varredura é realizada em escala de milissegundos, a descarga do reservatório de silício produz os dois níveis de corrente, permitindo que ambas as correntes das subcélulas sejam determinadas em uma única medição. No entanto, a abordagem funciona quando a célula de silício é a limitante de corrente. Se a célula de perovskita já limita a corrente do tandem, apenas um platô aparece e a corrente do silício permanece oculta.
Impacto na Fabricação e Futuras Aplicações
A capacidade de realizar amostragem 100% em linha da corrente das subcélulas torna viável o uso de gráficos de controle estatístico de processo. Isso permite detectar desvios na deposição de perovskita (espessura, composição, morfologia) ou variações na pilha óptica antes que resultem em perdas de rendimento. A integração em testadores existentes não exige modificação de hardware, apenas um ajuste no nível do firmware para o protocolo de varredura.
"Do ponto de vista da fabricação, a amostragem de corrente de subcélula 100% em linha torna-se viável, permitindo gráficos de controle estatístico de processo que detectam desvios na deposição de perovskita — espessura, composição, morfologia — ou variações na pilha óptica antes que se propaguem em perda de rendimento", concluíram os acadêmicos.
O princípio subjacente a essa nova metrologia não se limita apenas às células tandem de perovskita-silício. Messmer destacou que ele se aplica a qualquer arquitetura de múltiplas junções que combine uma célula superior de banda direta com uma célula inferior de banda indireta, incluindo tandems de III-V-silício e dispositivos de junção tripla. Essa versatilidade abre portas para a otimização da produção de uma gama mais ampla de tecnologias fotovoltaicas avançadas.
Leitura da LZ7 Energia
A inovação do Fraunhofer ISE representa um avanço significativo para a indústria de energia solar, especialmente para empresas como a LZ7 Energia, que buscam as tecnologias mais eficientes e confiáveis. A capacidade de realizar um controle de qualidade rápido e preciso na fabricação de células solares tandem de perovskita-silício pode acelerar a chegada desses painéis de alta eficiência ao mercado, reduzindo custos de produção e, consequentemente, o preço final para o consumidor. Para o Norte Pioneiro do Paraná, onde o sol é um recurso abundante e a demanda por energia limpa cresce, a disponibilidade de módulos solares mais eficientes e com maior garantia de qualidade pode impulsionar ainda mais a adoção da energia solar fotovoltaica, contribuindo para a economia local e a sustentabilidade energética da região. A otimização dos processos de fabricação se traduz em maior competitividade e acesso a tecnologias de ponta, beneficiando tanto instaladores quanto usuários finais.
Fonte: PV Magazine — Solar global — matéria original publicada em pv-magazine.com. Imagens e vídeos: PV Magazine — Solar global. Texto apurado e reescrito pela redação da LZ7 Energia.