As células solares podem ter materiais e estruturas diferentes, dependendo da tecnologia de fabricação utilizada, muitas vezes gerando certa confusão, pois em muitos casos várias tecnologias são aplicadas em um mesmo módulo fotovoltaico, podendo o mesmo ser monofacial ou bifacial, tipo P ou N, Monocristalino ou Policristalino, Perc, TopCon, HJT…
Muitas dessas tecnologias que possuem nomes conhecidos comercialmente podem ser combinadas, gerando características diferentes.
Nesse artigo, vamos pressupor que o leitor já conheça sobre a diferença das células solares monocristalina e policristalina, mas caso deseje saber mais sobre, clique aqui.
Primeiramente vamos explicar a tecnologia tradicional para entender as diferenças entre as células solares tipo P e tipo N. As células tradicionais têm um campo de superfície traseira de alumínio (Al-BSF).
As células solares são estruturadas com uma junção P-N, apresentando um wafer de silício cristalino tipo P (c-Si) com furos adicionais (carregado positivamente) e um wafer c-Si tipo N com elétrons adicionais (carregado negativamente). A ordem para o wafer do tipo P e do tipo N varia, com a camada superior e mais fina sendo o emissor, e a camada inferior e mais espessa sendo a região do volume.
Os wafers c-Si do tipo P são feitos por dopagem de c-Si de alta pureza com boro, que é um material com menos elétrons, produzindo wafers carregados positivamente. Da mesma forma, um wafer c-Si do tipo N é dopado com fósforo, que é um material com elétrons livres adicionais e, portanto, carrega negativamente o wafer. Essas camadas colocadas uma em cima da outra, criam um campo elétrico interno.
Painéis solares do tipo N vs. do tipo P: Qual é a diferença e o que é melhor para você?
A maioria das células solares do tipo P e do tipo N são as mesmas, apresentando pequenas e muito sutis diferenças de fabricação para painéis solares do tipo N e do tipo P.
No parágrafo acima foi dito que camada absorvedora da célula solar, apresenta um wafer c-Si do tipo N e um tipo P, com uma ordem variável para as camadas. Uma das camadas é chamada de região do volume e é mais espessa do que o emissor, que é colocado em cima da região do volume. A variação em que os wafers são colocados é o que faz com que a célula solar seja uma célula solar do tipo N ou uma célula solar do tipo P.
Os painéis solares do tipo P são o tipo de módulos mais vendido e popular no mercado. Uma célula solar do tipo P é fabricada usando uma região c-Si a granel dopada positivamente (tipo P), E a camada emissora da célula é dopada negativamente (tipo N),.
Os painéis solares do tipo N são uma alternativa com crescente popularidade devido às suas várias vantagens sobre o painel solar do tipo P. A célula solar do tipo N apresenta uma região c-Si a granel dopada negativamente (tipo N), enquanto a camada emissora é dopada positivamente (tipo P).
Em resumo, o principal aspecto que diferencia as células solares do tipo P e do tipo N é a dopagem usada para a região do volume e para o emissor. Quando o fósforo é usado para dopar negativamente a região do volume, isso cria uma célula solar do tipo N, enquanto isso, quando o boro é usado para dopar positivamente o silício cristalino na região do volume, isso faz um painel solar do tipo P.
Porque os painéis solares do tipo P se tornaram a norma na indústria solar?
No início do desenvolvimento dos módulos fotovoltaicos, a tecnologia era bastante cara para usos convencionais. No entanto, o custo não era uma limitação para as aplicações espaciais, onde era essencial ter uma fonte de energia viável, uma vez que não havia outras maneiras de gerar energia no espaço.
À medida que as aplicações espaciais ganharam prioridade, surgiram os painéis solares do tipo P, que apresentavam alta resistência à radiação e à degradação no ambiente espacial. A tecnologia de aplicação fotovoltaica espacial recebeu um grande investimento na década de 50, impulsionando o desenvolvimento dessa área.
Com o tempo, a indústria solar manteve o ímpeto, aproveitando os conhecimentos adquiridos com a pesquisa espacial. Isso permitiu a redução dos custos e a produção de painéis solares do tipo P mais eficientes para aplicações terrestres. A tecnologia bem estudada se tornou a norma para a indústria, impulsionando ainda mais a adoção desses painéis solares em diversas aplicações.
Vantagens e crescente popularidade dos painéis solares do tipo N
Embora os painéis solares do tipo P tenham sido a norma por muitos anos, essa tecnologia apresenta algumas falhas, especialmente para aplicações terrestres. O uso de boro para dopar painéis solares do tipo P causa um problema conhecido como “defeito de boro-oxigênio” (que não ocorre no espaço, onde não há oxigênio). Esse defeito leva a uma alta quantidade de Degradação Induzida pela Luz (LID) nos painéis solares do tipo P, reduzindo seu desempenho em até 10% em alguns casos.
Por outro lado, os painéis solares do tipo N, dopados com fósforo em vez de boro, são completamente imunes ao defeito de boro-oxigênio, que poderia, de outra forma, reduzir seu desempenho. Graças a essa característica, não há degradação acelerada do desempenho, como acontece com os painéis solares do tipo P. Os painéis solares do tipo N também apresentam uma maior eficiência de conversão ao longo de sua vida útil, transformando-os em um melhor investimento.
Ambas as topologias de dopagem, podem ser aplicadas a diferentes arquiteturas e tecnologias de fabricação de células fotovoltaicas, tecnologia essa que evoluiu bastante ao longo dos anos, tanto em escala de laboratório como em escala de produção comercial. Esses avanços significativos ocorreram com a introdução das tecnologias mono PERC, Topcon e HJT. Essas novas tecnologias levaram a melhorias na eficiência, durabilidade e desempenho geral dos painéis solares, tornando-os uma opção mais viável e econômica para a produção de energia renovável no mercado brasileiro.
Vamos discutir as principais tecnologias de fabricação de módulos fotovoltaicos e entender as diferenças.
Módulos Solares Fotovoltaicos PERC
Nos últimos anos, os painéis solares com Contato Passivado no Emissor e Contato Traseiro (PERC) têm ganhado popularidade na indústria de painéis solares como uma opção viável para criar energia solar mais eficiente. Esses painéis solares usam células solares PERC, uma versão aprimorada das células solares convencionais. Seu design modificado permite que eles gerem de 6 a 12% mais energia do que suas contrapartes tradicionais. Hoje em dia, a maioria dos módulos fotovoltaicos comercializados no Brasil adotam essa tecnologia.
Sobre a Tecnologia PERC
PERC significa Passivated Emitter and Rear Cell (Emissor Passivado e Célula Traseira). A célula solar PERC possui uma camada de passivação na parte traseira da célula, que ajuda a minimizar as perdas por recombinação e aumentar a absorção de luz. O papel chave da camada de passivação na parte traseira é refletir a luz que passa através da célula de silício sem ser absorvida de volta para o silício. Ao refletir essa luz, a camada de passivação dá à célula solar uma segunda chance de absorvê-la, resultando em uma melhoria significativa na eficiência.
Vantagens dos Painéis Solares PERC
Os painéis PERC oferecem várias vantagens em relação aos painéis solares tradicionais, o que os torna uma escolha popular para instaladores e clientes de energia solar. Aqui estão as principais vantagens:
- Aumento na Produção de Energia: Os painéis solares PERC têm maior eficiência em comparação com os painéis tradicionais, resultando em maior geração de energia. Isso pode adicionar até 5% a mais na produção de energia para um sistema fotovoltaico completo.
- Desempenho Aprimorado em Condições de Pouca Luz e Alta Temperatura: Os painéis PERC têm um desempenho excepcional em ambientes de pouca luz e alta temperatura, proporcionando um aumento na eficiência de cerca de 3%.
- Eficiência de Área Alta: Como os painéis PERC são mais eficientes, eles podem alcançar a mesma saída de energia que os painéis tradicionais com menos painéis. Isso significa que um sistema de energia solar usando painéis PERC precisará de menos espaço para a instalação.
- Redução nos Custos de BOS: Com os painéis PERC, menos painéis podem alcançar a mesma saída, resultando em uma redução nos custos de equilíbrio do sistema (BOS), custos de mão de obra e outros custos indiretos, como inversores, estruturas e conexões..
Desvantagens dos Painéis Solares PERC
- Pouco tempo atrás os painéis solares PERC eram bem mais caros do que os painéis solares tradicionais, mas hoje em dia, com a atualização das plantas industriais dos grandes fabricantes, essa diferença diminuiu bastante.
- Os painéis solares PERC são ligeiramente mais sensíveis ao sombreamento do que os painéis solares tradicionais.
Painéis Solares TOPCon
A tecnologia solar de contato passivado por óxido de túnel (TOPCon) é um tipo relativamente novo de tecnologia de célula solar. TOPCON significa “Tunnel Oxide Passivated Contact” (Contato Passivado por Óxido de Túnel).
Sobre a Tecnologia TOPCon
A estrutura da célula solar TOPCon consiste em uma fina camada de óxido de túnel colocada entre uma camada de óxido condutor transparente (TCO) e uma camada de silício cristalino dopado com p. A camada TCO atua como contato frontal para a célula solar, enquanto a camada dopada com p atua como a camada absorvedora. A camada de óxido de túnel atua como uma camada de passivação, evitando a recombinação de portadores de carga na superfície da célula solar. A maior eficiência permite que o painel solar capture uma maior quantidade de energia por unidade de área.
Vantagens dos Painéis Solares TOPCon
A adoção da tecnologia TOPCon ganhou popularidade devido a várias vantagens associadas a ela, incluindo a fácil adaptação das plantas industriais para fabricar módulos com a tecnologia TOPcon. A tendência do mercado é que boa parte dos fabricantes atualizem suas máquinas existentes para a manufatura de módulos TOPcon em grande escala.
- Maior eficiência: As células TOPCon são mais eficientes na conversão da luz solar em eletricidade do que as células tipo P. A eficiência máxima das células TOPCon é de cerca de 28%, que é superior à eficiência máxima de cerca de 24% das células PERC. Essa maior eficiência resulta em mais geração de eletricidade a partir de uma determinada área de superfície.
- Menor degradação: Os módulos TOPCon têm uma menor degradação de potência durante o primeiro ano e ao longo dos 25 anos de uso, em comparação com os módulos solares PERC. Portanto, eles manterão sua eficiência por mais tempo, resultando em uma vida útil mais longa dos painéis solares.
- Coeficiente de temperatura mais baixo: O coeficiente de temperatura dos painéis solares TOPCon é menor do que o dos painéis solares PERC. Isso significa que os painéis solares TOPCon podem manter sua eficiência em temperaturas mais altas, o que é especialmente importante em climas quentes.
- Taxa de bifacialidade: As células TOPCon têm uma bifacialidade maior do que as células PERC. Isso significa que os painéis solares TOPCon podem gerar eletricidade tanto da frente quanto da parte traseira do painel.
- Baixo desempenho em pouca luz: Os módulos solares TOPCon têm maior eficiência em condições de pouca luz do que os módulos PERC. Isso significa que os painéis solares TOPCon podem gerar mais eletricidade mesmo quando não há luz solar suficiente.
Desvantagens da Tecnologia de Módulo Solar Fotovoltaico TOPCon
Aqui estão alguns desafios potenciais da tecnologia de célula solar TOPCon:
- Custo: As células solares TOPCon podem ser mais caras de produzir do que as células solares tradicionais, devido aos materiais adicionais e etapas de fabricação necessárias para criar as camadas de filme fino necessárias para a célula.
- Complexidade: O processo de fabricação das células TOPCon é mais complexo do que o das células tradicionais, o que pode dificultar a ampliação da produção para atender à alta demanda.
- Processamento em alta temperatura: A produção de células TOPCon requer etapas de processamento em alta temperatura, o que pode levar ao aumento do consumo de energia e emissões de carbono, bem como ao risco de defeitos ou danos à célula.
- Sensibilidade a impurezas: As células TOPCon são mais sensíveis às impurezas nos materiais usados para criá-las, o que pode levar à redução da eficiência ou até mesmo à falha completa da célula.
Painéis Solares HJT
A tecnologia de célula solar Heterojunction (HJT) é um tipo relativamente novo de célula solar que tem ganhado popularidade nos últimos anos. O design e a estrutura do HJT permitem uma conversão mais eficiente da luz solar em eletricidade.
Sobre a Tecnologia de Painéis Solares HJT
Os painéis solares HJT são um tipo de painel fotovoltaico que consiste em três camadas de material fotovoltaico. Esses painéis incorporam duas tecnologias distintas: silício cristalino e silício amorfo “filme fino”, que trabalham em harmonia para produzir eletricidade.
As células HJT consistem em três materiais principais: Silício Cristalino (c-Si), Silício Amorfo (a-Si) e Óxido de Estanho e Índio (ITO).
A primeira camada, feita de silício amorfo, captura a luz solar antes que ela alcance a camada cristalina, bem como qualquer luz que reflita das camadas subjacentes. A camada intermediária é composta de silício monocristalino, que é responsável principalmente por converter a maior parte da luz solar em eletricidade. A camada final é outra camada de silício amorfo de filme fino, localizada atrás do silício cristalino, que captura os fótons restantes que passaram pelas duas primeiras camadas.
Ao combinar essas duas tecnologias, os painéis solares HJT podem gerar mais energia do que qualquer tecnologia poderia produzir independentemente. Esses painéis podem atingir eficiências de 25% ou mais, tornando-os uma escolha atraente para a geração de energia solar.
Vantagens dos Painéis Solares HJT
Aqui estão os principais benefícios dos painéis solares HJT:
- Alta Eficiência: Os painéis solares HJT têm uma eficiência de conversão de 26,07% para módulos monofaciais e mais de 30% para bifaciais, tornando-o uma das tecnologias solares mais eficientes da indústria.
- Bom Coeficiente de Temperatura: As células HJT são menos afetadas pelas mudanças de temperatura, tornando-as ideais para uso em locais de alta temperatura.
- Alta Bifacialidade: As células HJT possuem um alto fator de bifacialidade de 92%, tornando-os uma ótima escolha para aplicações em escala de utilidade que podem aproveitar o recurso de albedo.
- Processo de Fabricação Fácil: O processo de fabricação do módulo solar HJT envolve apenas 5-7 etapas, e o custo do equipamento está reduzindo constantemente, com maior adesão do mercado e aumento da escala de produção, tornando-o uma tecnologia promissora e econômica para o futuro da energia solar.
Desvantagens dos Painéis Solares HJT
- Custo elevado: Os painéis HJT são mais caros devido às etapas adicionais de fabricação e aos materiais custosos.
- Fragilidade: Os painéis HJT são finos e têm uma estrutura complexa, tornando-os mais vulneráveis a danos.
- Sensibilidade à umidade: Os painéis HJT são sensíveis à umidade, o que pode reduzir sua eficiência ou danificar o painel.
- Complexidade da Produção: O processo de fabricação de painéis HJT requer conhecimentos e equipamentos especializados.
- Baixa Escala de Fabricação: Os painéis HJT são produzidos em menor escala do que os painéis tradicionais, o que pode torná-los mais caros e difíceis de encontrar.
Comparação Entre as Tecnologias de Painéis Solares HJT e TOPCon e Perc
Os painéis solares TOPCon e HJT e Perc são todas tecnologias solares avançadas que oferecem alta eficiência e confiabilidade. Sendo o TOPCon e o HJT mais eficientes, porém com um custo ainda mais elevado em relação ao Perc.
Os painéis HJT têm maior eficiência e bifacialidade, mas são mais complexos e caros de fabricar e são sensíveis à umidade.
Os painéis TOPCon têm um processo de fabricação mais simples, menor custo e são menos sensíveis à umidade, em condições de laboratório possui maior eficiência que o HJT, porém em módulos comerciais ele perde eficiência e bifacialidade ao HJT, mas ainda sim, supera em ambos critérios a tecnologia Perc.
Podemos concluir que:
Os painéis Mono PERC são uma boa escolha para a maioria das aplicações solares no Brasil, pois na maioria dos casos apresenta um custo benefício superior às demais tecnologias mais recentes, principalmente se tratando de usinas em telhado, onde não convém utilizar módulos bifaciais.
Em usinas no solo, convém um estudo mais amplo comparando o ganho de geração com os módulos TOPcon bifaciais, analisando o Capex do investimento e o seu custo benefício.
Já os módulos HJT podem ser mais facilmente integrados à arquitetura de edifícios, hoje sendo mais utilizados em projetos o qual o retorno do investimento não é o foco principal.
Em linhas gerais a adequação de uma determinada tecnologia depende de uma variedade de fatores. Como irradiação direta e difusa, temperatura do local de instalação, sombreamento parcial e também requisitos específicos de investimento em usinas de grande escala.
Portanto, o melhor a fazer é consultar uma empresa de energia solar com amplo conhecimento técnico e boa reputação para determinar a tecnologia mais adequada para suas necessidades específicas e orçamento. E para isso você pode contar com a inVolt Energia, que possui mais de 9 engenheiros em seu quadro técnico e tem ampla experiência com as tecnologias mais modernas do setor.
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