Por que cortar células solares?

Contents:

1. Por que cortar células solares?
2. Os princípios do corte
3. Vantagens dos Painéis de 1/3 de Corte sobre os Painéis de Meio-Corte
4. Por que os fabricantes não produzem células solares de 1/4 ou até mesmo de 1/5 de corte?
5. Conclusão

Por que cortar células solares?

Nos últimos anos, a tecnologia fotovoltaica (PV) avançou rapidamente e se tornou amplamente utilizada. A demanda por painéis solares de alta potência está aumentando, e a redução das perdas de energia ao mesmo tempo em que aumenta a potência de saída desses painéis se tornou um foco para fabricantes em todo o mundo. O corte de células solares é uma técnica utilizada para aumentar a eficiência dos painéis ao diminuir o tamanho das células, o que reduz a resistência e melhora a potência de saída.

Mas por que o corte de células solares se tornou um tópico popular na indústria apenas recentemente? Uma razão é o aumento do tamanho das pastilhas de silício de 156mm (M1) para 161,7mm (M4). Esse aumento de tamanho aumentou a área e a corrente da pastilha em cerca de 7%, mas também aumentou as perdas elétricas em 15%. Isso motivou a indústria a buscar maneiras de reduzir as perdas relacionadas à corrente. Além disso, o corte das células pode reduzir as perdas por sombreamento dos eletrodos metálicos da célula e aumentar o número de barramentos, o que ajuda a melhorar o fluxo de corrente.

Além disso, avanços nos processos de fabricação de pastilhas e células agora permitem a triagem de células de tamanho completo sem a necessidade de re-medir as células cortadas após a divisão. Isso otimiza o processo de produção, tornando-o mais eficiente e econômico.

Em resumo, o corte de células solares em pedaços menores ajuda a tornar os painéis solares mais potentes e eficientes, atendendo à crescente demanda por soluções de energia solar de alto desempenho.

Os princípios do corte

1. Processo de Corte

• Quadratura do Ingot de Silício: Processamento do ingot de silício em um bloco que atende às especificações necessárias.
• Corte e Retificação do Bloco de Silício: Remoção das extremidades e achatamento, chanframento e arredondamento do bloco de silício.
• Colagem do Bloco de Silício: Fixação do bloco de silício em uma placa de peça de trabalho, preparando-o para o corte por fio.
• Corte do Bloco de Silício: Utilização de serra de fio múltiplo para cortar o bloco de silício em lâminas finas de silício.
• Limpeza da Lâmina de Silício: Limpeza da superfície da lâmina de polpa através de pré-limpeza, inserção e limpeza ultrassônica.
• Classificação e Embalagem da Lâmina de Silício: Classificação das lâminas de acordo com os padrões e embalagem para armazenamento.

2. Técnicas de Corte

(1) LSC - Laser Scribing and Cleaving

Esta técnica depende da tecnologia de ablação a laser. A tecnologia de células meio-cortadas geralmente emprega corte a laser, onde células solares de tamanho padrão são cortadas verticalmente ao longo dos barramentos principais em duas metades iguais. Essas metades são então interconectadas por soldagem para conexão em série. Veja como funciona:

• Processo: Um laser cria linhas de marcação ao longo de toda a extensão das bordas da célula meio-cortada. Em alguns casos, a marcação não separa completamente a célula, mas deixa um sulco com cerca da metade da espessura da célula. A célula é então quebrada mecanicamente ao longo dessas linhas de marcação.
• Vantagens: Este método evita a criação de caminhos de shunt na junção p-n ao realizar a marcação a partir da parte de trás da célula. Para células com Contato de Emissor Passivado e Contato Traseiro (PERC) com uma camada metálica traseira completa, criar uma pequena abertura na parte de trás não causa perda de potência.
• Inovações: O Fraunhofer CSP desenvolveu e patenteou uma versão avançada da técnica LSC. Isso envolve aplicar a marcação a laser em células solares ligeiramente curvadas, alcançando um processo em uma única etapa onde a marcação e a quebra ocorrem na mesma estação.

(2) TMC - Thermal Mechanical Cleaving

Ao contrário do LSC, o TMC não utiliza técnicas de ablação que podem causar microfissuras. Em vez disso, aplica um gradiente térmico altamente concentrado ao longo da borda da célula meio-cortada, induzindo estresse mecânico localizado que resulta em fissuras.

• Processo: Aplicando um gradiente térmico, o material sofre estresse mecânico local que leva à fissuração sem ablação do material.
• Vantagens: Os processos TMC não envolvem ablação e reduzem os efeitos colaterais térmicos globais, minimizando danos estruturais nas pastilhas quando os parâmetros do processo são otimizados.
• Inovação: Alguns equipamentos para células meio-cortadas TMC já estão disponíveis comercialmente ou em desenvolvimento. Fabricantes notáveis incluem 3D-Micromac AG e Innolas Solutions GmbH da Alemanha.

Em resumo, o corte de células solares envolve uma série de etapas precisas para garantir desempenho e eficiência ótimos. As técnicas LSC e TMC oferecem diferentes vantagens e podem ser escolhidas com base em necessidades específicas e capacidades de fabricação.

Vantagens das Células de 1/3 de Corte Comparadas às Células de Meio-Corte

1. Redução das Perdas por Resistência e Aumento da Potência de Saída

Uma fonte de perda de energia nos painéis solares é a perda por resistência, que ocorre durante a transmissão de corrente. As células solares usam barramentos para se conectar aos fios e células adjacentes, e a corrente que flui através desses barramentos causa alguma perda de energia. Ao cortar as células solares em metades, a corrente produzida por cada célula é reduzida pela metade, resultando em menores perdas de resistência à medida que a corrente flui através das células e fios do painel solar.

Usando a fórmula para perda de potência elétrica P=I2 * R, quando a corrente é reduzida para um terço de seu valor original, a perda de potência é significativamente reduzida. Com células de 1/3 de corte, a corrente é apenas um terço da célula original, em comparação com metade nas células de meio-corte. Isso reduz ainda mais a resistência série das células, minimizando a perda de energia e aumentando assim a potência de saída e eficiência dos módulos solares.

2. Redução do Efeito de Ponto Quente

Em módulos tradicionais de células de tamanho completo, se uma célula estiver sombreada, pode criar um ponto quente, levando à degradação do desempenho ou até mesmo danos à célula. A tecnologia de células de 1/3 de corte reduz o risco de pontos quentes aumentando o número de células e, assim, diminuindo a corrente em cada célula. Com uma distribuição de calor mais uniforme e redução dos efeitos de pontos quentes, os módulos de 1/3 de corte têm uma vida útil prolongada e maior confiabilidade a longo prazo.

3. Aumento do Fator de Preenchimento

O fator de preenchimento (FF) é uma medida da qualidade de uma célula solar. Ele representa a potência disponível no ponto de máxima potência (Pm) dividida pela tensão de circuito aberto (VOC) e pela corrente de curto-circuito (ISC):

O fator de preenchimento é diretamente afetado pelos valores das resistências série e shunt da célula, bem como pelas perdas nos diodos. Aumentar a resistência shunt (Rsh) e reduzir a resistência série (Rs) levam a um fator de preenchimento maior, resultando assim em maior eficiência e aproximando a potência de saída da célula de seu máximo teórico.

A tecnologia de células de 1/3 de corte melhora o gerenciamento da corrente, aumenta o fator de preenchimento do módulo e, portanto, melhora o desempenho sob condições operacionais reais.

4. Melhoria na Tolerância à Sombra

Comparadas às células de tamanho completo, as células de meio-corte demonstram uma maior resistência aos efeitos de sombreamento. Isso não se deve às células em si, mas sim ao método de conexão usado para conectar as células de meio-corte dentro do painel. Nos painéis solares tradicionais construídos com células de tamanho completo, as células são conectadas em série, onde o sombreamento de uma célula em série pode parar toda a fileira de gerar energia. Um painel padrão geralmente possui 3 fileiras de células conectadas de forma independente, então o sombreamento de uma célula em uma fileira elimina metade da saída de energia desse painel.

Da mesma forma, as células de meio-corte também são conectadas em série, mas os painéis feitos com células de meio-corte têm o dobro do número de células (120 em vez de 60), resultando em duas vezes mais fileiras independentes de células. Essa configuração de fiação reduz a perda de potência nos painéis construídos com células de meio-corte quando uma única célula é sombreada, pois o sombreamento de uma célula pode eliminar apenas um sexto da saída total de energia do painel.

Por extensão, as células de 1/3 de corte mostram uma sensibilidade ainda menor ao sombreamento local em comparação com as células de meio-corte. Mesmo que alguns segmentos da célula estejam sombreados, a saída de potência geral permanece amplamente inalterada, garantindo uma maior eficiência geral na geração de eletricidade.

5. Aumento da Competitividade no Mercado

O aumento no desempenho e eficiência dos módulos de 1/3 de corte os torna mais competitivos no mercado, capazes de atender às demandas de mercados de alto padrão e aplicações especializadas. Esta melhoria reduz os custos de despesas, gerando assim benefícios econômicos mais altos.

Com maior potência de saída por módulo, são necessários menos módulos para gerar a eletricidade necessária tanto para instalações solares montadas no solo quanto para instalações em telhados. Esta redução na quantidade de módulos contribui para minimizar o espaço necessário para a instalação. Para grandes fazendas solares de escala utilitária, o requisito de espaço menor ajuda a reduzir a área necessária para estabelecer instalações fotovoltaicas solares. Isso, por sua vez, reduz os custos de investimento inicial para desenvolvedores solares, pois a terra representa um investimento inicial significativo na construção de usinas de energia solar em grande escala.

Por que os fabricantes não produzem células solares de 1/4 ou até mesmo de 1/5 de corte?

Embora os módulos de corte de 1/4 e 1/5 possam oferecer uma saída de energia ligeiramente maior por módulo, otimizar uma solução energética envolve considerar complexidades adicionais de fabricação.

Especificamente, incorporar mais cortes de células solares exige diodos de bypass adicionais para proteção do circuito dentro do módulo. Isso aumenta o uso de matérias-primas, resultando em custos adicionais e prazos de produção prolongados. Para soluções solares residenciais focadas na redução de custos junto com eficiência, manter os módulos simples e diretos é vantajoso. Células solares de 1/3 de corte, que requerem apenas três diodos de bypass, encontram um equilíbrio entre acessibilidade e desempenho aprimorado para os usuários finais. Este design também minimiza os riscos associados a futuras atualizações, ao mesmo tempo que maximiza as capacidades de eficiência energética atuais.

Conclusão

As células solares de corte de 1/3, comparadas às células de meio-corte, melhoram significativamente o desempenho geral e a eficiência dos módulos de painéis solares ao reduzir ainda mais a corrente e a resistência, minimizar as perdas de energia, otimizar a distribuição de calor e melhorar a confiabilidade dos componentes. Essas vantagens tornam a tecnologia de corte de 1/3 mais atraente para aplicações de alto padrão e cenários específicos. Apesar do processo de fabricação mais complexo, as melhorias no desempenho e os benefícios econômicos frequentemente superam esses custos adicionais.

Referências:

Sharma, N. (2024, 15 de março). Half-Cut Solar Cells- Are they worth the Hype? Ornate Solar. https://ornatesolar.com/blog/why-should-you-choose-half-cut-cell-modules-for-your-solar-projects

Trina Solar. (2022, 31 de outubro). Qual é o grande hype sobre as células solares de 1⁄3-Cut? https://www.trinasolar.com/us/resources/blog/third-cut-solar-cells

Colaboradores da Wikipédia. (2024, 21 de abril). Eficiência da célula solar. Wikipédia. https://en.wikipedia.org/wiki/Solar-cell_efficiency

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