Células coladas tornam a energia fotovoltaica “mais verde”

Módulos de silício cristalino são normalmente fabricados com solda utilizando chumbo. Mas a evolução recente dos adesivos eletrocondutivos tornou possível a interconexão de células por colagem, permitindo que os módulos também cumpram a diretiva européia RoHS, evitando o chumbo. A colagem também é ideal para tecnologias de células de alta eficiência que não podem sofrer temperaturas de solda.


Wolfgang Mühleisen, Lukas Neumaier e Christina Hirschl (CTR - Carinthian Tech Research AG, Áustria); J. Scheurere e B. Stoesser (Polytec PT GmbH, Alemanha); W. Pranger e A. Schuetz (Ulbrich of Austria GmbH); Franz Vollmaier (PVP Photovoltaik GmbH, Áustria); Robert Lorenz e T. Fischer (Teamtechnik GmbH, Alemanha); Michael Schwark e Rita Ebner (AIT - Austrian Institute of Technology GmbH).

Data: 01/08/2019

Edição: Fotovolt Maio 2019 - Ano 4 - No 22

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Fig. 1 – Soldagem manual de contatos

O procedimento padrão para conectar em séries células solares de silício cristalino é utilizar fitas de chumbo com agente de fluxo e processo de soldagem a tempera- turas em torno de 220 °C. Stringers modernos de via única podem atingir 2100 células por hora, o que equivale a 35 módulos padrão de 60 células. Nos últimos anos, muitas indústrias de base eletrônica tiveram de cumprir o regulamento RoHS (Restrição de Substâncias Perigosas, na sigla em inglês) [1]. Por várias razões, o mesmo ainda não aconteceu com a indústria de equipamentos de energia solar, mas essa é apenas uma questão de tempo. Fitas sem chumbo já estão no mercado, mas elas apresentam desafios signifi- cativos, especialmente para a indústria solar, uma vez que temperaturas de soldagem mais altas resultam em es- tresse térmico e maior risco de defeitos em células com ligas de estanho/prata. Outra desvantagem das fitas de solda livres de chumbo é o preço mais alto.

Uma alternativa interessante para fitas de solda sem chumbo são as fitas coladas, como já demonstraram muitos trabalhos de pesquisa [2-8]. Fitas cola- das também oferecem a vantagem de possibilitar o uso de fitas estruturadas que compensam as perdas por refle- xão. Além disso, podem ser usadas temperaturas de processo mais baixas, o que tornaria viáveis tecnologias de células de alta eficiência. O adesivo eletrocondutivo (AEC) é baseado em uma formulação de prata de partículas pequenas, para se obter condutividade a custos moderados. Stringers de célu- las compatíveis com a nova tecnologia já estão disponíveis no mercado.


Fig. 2 – Solda sem contato em máquina de IR

Estado atual da tecnologia: Soldagem

A interconexão em série das células solares de silício é normalmente feita em várias etapas. Primeiro, um robô coloca as células em posição (mani- pulação de células). Depois, um fluxo dosado é aplicado na área do futuro contato para apoiar o processo de solda e conexão. No terceiro passo, as fitas são colocadas em posição e mantidas em contato com as respectivas células por meio de um dispositivo de aperto. Em seguida, uma etapa de aquecimento com duração de alguns segundos inter- conecta célula por célula a um string. Depois que dez células foram monta- das, um dispositivo de corte separa o string, que é então apanhado por um robô e posicionado sobre um vidro com material incorporado, geralmente uma folha de etileno acetato de vinila (EVA). A temperatura de operação do pro- cesso de soldagem, principalmente o realizado por unidade de luz infraver- melha sem contato, depende do ma- terial de solda. Um material padrão é a liga de chumbo-estanho (Sn60Pb40), cuja temperatura de fusão situa-se na faixa de 183-188 °C. Materiais de liga estanho-prata sem chumbo, como Sn96.5Ag3.5, estão na faixa de 221 °C. Ligas especiais de baixa temperatu- ra à base de bismuto-estanho, como Bi58Sn42, têm ponto de fusão a 138 °C. Com essas três ligas de reves- timento para a fita de cobre, uma ampla gama de tecnolo- gias de células podem ser pro- cessadas, por exemplo células solares de silício impressas em tela, células de emissor traseiro passivado (PERC) ou células com tecnologia de he- terojunção (figuras 1 e 2). Na fabricação de módulos foto- voltaicos, um valor empírico de taxa de ruptura é encontra- do na faixa de 0,1-0,3% para células e fitas padrão.

Estado atual da lei: Regras

A fim de reduzir grandes quantida- des potenciais de lixo eletrônico, foi in- troduzida há mais de 17 anos na Europa a Diretiva de Restrição de Substâncias Perigosas 2011/65 /EU (RoHS 2), que proíbe materiais como chumbo (Pb), mercúrio (Hg), cádmio (Cd) e outros, num total de dez substâncias tóxicas [1]. No entanto, existem exceções para al- pressocélulas e fitas padrão. Estado atual da lei: Regras A fim de reduzir grandes quantida- des potenciais de lixo eletrônico, foi in- troduzida há mais de 17 anos na Europa a Diretiva de Restrição de Substâncias Perigosas 2011/65 /EU (RoHS 2), que proíbe materiais como chumbo (Pb), mercúrio (Hg), cádmio (Cd) e outros, num total de dez substâncias tóxicas [1]. No entanto, existem exceções para al- guns setores que continuam autorizados a usar, por exemplo, soldas de estanho com chumbo em algumas aplicações es- paciais, militares, de saúde e fotovoltai- cas. A exceção para o setor fotovoltaico é estabelecida da seguinte forma: “Painéis fotovoltaicos destinados a serem utiliza- dos em um sistema projetado, montado e instalado por profissionais, para uso permanente em um local definido, para produzir energia a partir de luz solar para aplicações públicas, comerciais, industriais e residenciais”[1]. Porém, pode ser uma questão de tempo até essa exceção para soldas de chumbo-estanho ou para todos os componentes contendo chumbo também ser revogada para os módulos fotovoltaicos.

Fig. 3 – AEC impresso em tela industrial

Estado atual da tecnologia: Colagem

Adesivos eletrônico-condutivos têm sido usados há anos, especialmente para módulos fotovoltaicos de filmes finos. Melhorias graduais na formula- ção ocorridas nos últimos anos possibi- litaram novas aplicações, especialmen- te na interconexão de células solares de silício. As propriedades do adesivo baseado em resina epóxi são longa durabilidade, ausência de solventes e cura rápida. Devido a uma diminuição progressiva das partículas de prata, foi alcançada uma redução de custo para uma condutividade satisfatória.

Tempos de cura de cerca de cinco minutos a 150 °C e de alguns segundos a temperaturas mais altas são normais (figura 3).

Medições e resultados

Foram aplicados alguns testes em ambiente abrigado e ao ar livre para analisar fitas coladas em células e mó- dulos solares de silício.

A comparação de fitas padrão solda- das flats, fitas coladas flats e fitas coladas estruturadas (LCR, de Light Capturing Ribbons) atesta o potencial dessa nova tecnologia ambientalmente amigável.

Fig. 4 – Ganho relativo de ISC entre fita flat soldada e fitas coladas [2]

Ensaios internos/externos: fitas padrão vs. fitas coladas para minimódulos

A caracterização de minimódulos de células individuais foi feita com um instrumento de teste de flash FCT-350 da Sinton Instruments em uma fita soldada e dois tipos de fitas coladas. A corrente de curto-circuito (ISC) mais alta, especialmente na fita estruturada (LCR), resulta em maior ganho em comparação com a referência soldada padrão (figura 4). Convém mencionar que as medições de ISC são uma com- paração relativa e que os valores de ISC são mais altos no total. Isto se deve à posição elevada da fonte de luz do testador flash por causa das dimen- sões do minimó- dulo, e de ter sido usado um sistema de teste adaptado.

Um ganho mé- dio de ISC de 2% (±0,46%) foi me- dido para as fitas estruturadas coladas em comparação com as soldadas. Outras medições ao ar livre com luz solar natural e consi- derando o ângulo de incidência da luz foram feitas e são mostradas nas figuras 5 e 6 [2].

Os dados das medições internas e das externas mostram resultados semelhantes no que diz respeito ao ganho das fitas coladas estruturadas sem chumbo em comparação com as soldadas.

Fig. 5 – Medidas dependentes do ângulo – perpendiculares

Fig. 6 – Medidas dependentes do ângulo – longitudinais

Ensaios internos/externos: fitas padrão vs. fitas coladas para módulos de 60 células

Módulos fotovoltaicos de 60 células fabricados com fitas padrão soldadas e com fitas estruturadas coladas tiveram as potências medidas em ambiente interno e o rendimento medido ao ar livre (figura 7).

Fig. 7 – Medições de rendimento ao ar livre (LCR à esquerda, padrão soldada à direita) [2]

Vale ressaltar que os módulos fotovoltaicos de 60 células são fabri- cados com flutuações relacionadas à produção. Portanto, tais módulos só podem ser comparados por plausi- bilidade.

Os resultados do teste de flash mostraram um ganho de potência de cerca de 1,75% da varie- dade colada em relação à soldada. As medições de rendimento foram reali- zadas ao longo dos últi- mos quatro anos e mostraram flutua- ções de ganho de rendimento na faixa de 0,3 a 2,3%, mas, em média, o ganho foi de 1,7% da tecnologia colada em relação à soldada (figura 8). Em quatro anos, esses módulos enfrentaram con- dições climáticas de zona temperada (Cfb), com dias de verão quentes e de inverno nevados.

Até agora, o ganho de rendimento sazonal repetitivo é uma indicação do bom desempenho dos módulos FV com a nova tecnologia.

Fig. 8 – Ganho de rendimento de fita estruturada colada em comparação com fita soldada padrão

Instalação de fabricação e testes

Por causa dos resultados promis- sores do uso de fitas estruturadas coladas e da motivação ambiental para evitar chumbo em componentes FV, 20 novos módulos fotovoltaicos foram produzidos em uma linha de mon- tagem (figuras 9 e 10). A cidade de Villach, na Áustria, comprou e instalou os módulos fotovoltaicos de fita estru- turada colada sem chumbo em uma planta FV de 5 kWp, como produto de demonstração para promover essa tecnologia ambientalmente amigável (figuras 11 e 12).

Fig. 9 – Produção de strings de células solares coladas

Fig. 10 – Teste de fita colada em etapa de controle

Fig. 9 – Produção de strings de células solares coladas

Fig. 10 – Teste de fita colada em etapa de controle

Considerações econômicas

Ao se substituir chumbo por prata, os custos aumentam, mas algumas ideias podem compensar esses custos adicionais nos módulos fotovoltaicos. Primeiro, haverá um ganho devido às estruturas na fita que tolera custos mais elevados para as despesas adicionais de fabricação. Em segundo lugar, as célu- las solares coladas não precisam de barramen- tos porque o adesivo eletrocondutivo pode conectar os fingers di- retamente (figura 13). Os custos evitados ao nível de célula podem ser transferidos para o nível de módulo e reproduzidos com o adesivo con- dutor.

Fig. 13 – Mudança de conceito para economia de custos: célula colada não precisa de barramentos

Sumário e conclusão

Strings colados de células sola- res conectadas em série são uma alternativa aos strings soldados, com a vantagem de cumprirem os requisitos RoHS devido à ausência de chumbo. O uso de fitas estrutura- das em combina- ção com um pro- cesso de colagem resulta em ganho de aproximadamente 1,7% na corrente de curto-circuito, em relação às fitas flats soldadas. Uma comparação entre dois módulos fotovoltaicos ao longo de quatro anos em condições reais de operação não revelou ocorrências espe- ciais. O município de Villach comprou uma planta fotovoltaica comercial com a nova tecnologia com o objetivo de apoiar a abordagem fotovoltaica com- pletamente livre de chumbo.

Agradecimento: Este trabalho foi realizado como parte do projeto de investigação “Infinity” do “Programa de Pesquisa de Energia” da Áustria, utilizando resultados do projeto predecessor “InnoModu”. Foi financiado pelo Fundo Austríaco para o Clima e a Energia e a Agência Austríaca de Promoção de Pesquisas.

Referências

  1. Página da CE marking association https://www.cemarkingassociation.co.uk/restrictionof-the-use-of-certain-hazardous-substances-rohs/, UK, 2018
  2. W. Mühleisen et al: Comparison of output power for solar cells with standard and structured ribbons, EPJ Photovoltaics 7, 70701 (2016), DOI: 10.1051/epjpv/2016003
  3. J. Schneider, M. Turek, M. Dyrbal, I. Baumann, B. Koll, T. Booz: Combined Effect of Light Harvesting Strings, Anti-Reflective Coating, Thin Glass and High UV Transmission Encapsulant to Reduce Optical Losses in Solar Modules, in Proc. 28th EU PVSEC, Paris, France, 2013, pp. 46–51
  4. G.C. Gläser, L. Hamann, L. Prönneke: Structured Ribbons for Short Circuit Current Gain in Modules, in Proc. 25th EU PVSEC, Valencia, Spain, 2010, pp. 634–636
  5. E.M. Sachs, J. Serdy, A.M. Gabor, F.V. Mierlo: Light-Capturing Interconnect Wire for 2% Module Power Gain, in Proc. 24th EU PVSEC, Hamburg, Germany, 2009, pp. 3222–3225
  6. Y. Zemen, M. Strasser, K. Turlapati: Performance and Yield Evaluation of c-Si Modules Built with Reflective Interconnectors, in Proc. 29th EU PVSEC, Amsterdam, The Netherlands, 2014, pp. 3302–3304
  7. U. Eitner, T. Geipel, S.-N. Holtschke, M. Tranitz: Characterization of Electrically Conductive Adhesives, Energy Procedia 27, 676 (2012)
  8. Md Zahidul Huq: Interconnection of front side busbar-free c-Si solar cells using conductive adhesives, Master thesis, University of Freiburg, Germany, 2013, https://www.researchgate.net/publication/261510083 Interconnection of Front Side Busbar-Free c-Si Solar Cells Using Conductive Adhesives - Md Zahidul Huq
Apresentado na 35a Conferência e Exposição Europeia de Energia Solar Fotovoltaica, este artigo foi traduzido e adaptado pela Redação de FotoVolt para publicação neste espaço.