Uma equipe de pesquisadores da Universidade de New South Wales (UNSW), na Austrália, investigou a substituição parcial da prata (Ag) por pós de níquel (Ni) na metalização traseira de células solares TOPCon. O estudo constatou que as características do pó de níquel afetam significativamente o desempenho elétrico, a capacidade de impressão e a economia de custos.
“Uma das descobertas mais importantes é que substituir Ag por Ni não é simplesmente uma questão de aumentar o teor de Ni. As características do pó de níquel têm impacto significativo tanto no desempenho elétrico quanto no comportamento durante a impressão”, disse Ning Song, autora correspondente do estudo, à pv magazine.
“Com um pó de níquel adequado, demonstramos uma redução de 6,8% nos custos com matérias-primas metálicas dos contatos traseiros, mantendo praticamente a mesma eficiência da célula solar. No entanto, aumentar ainda mais o teor de Ni não necessariamente proporciona maior economia, porque o consumo adicional de pasta durante a impressão compensa os benefícios esperados”, acrescentou.
Os pesquisadores explicaram que o níquel surgiu como uma alternativa promissora à prata devido ao custo relativamente baixo e à boa condutividade elétrica. No entanto, a oxidação do Ni durante a queima e as variações nas características do pó podem afetar o desempenho dos eletrodos. Eles também observaram que estudos anteriores demonstraram a viabilidade de pastas híbridas de Ag-Ni, embora os benefícios econômicos de sua aplicação prática ainda não estejam claros.
Nesse contexto, os pesquisadores avaliaram dois pós comerciais de níquel, com tamanhos de partículas de aproximadamente 1,5 μm e 3,8 μm, substituindo de 5% a 15% do pó metálico em pastas industriais destinadas aos contatos traseiros de células TOPCon. Foram analisados o desempenho elétrico, a resistência de contato, a microestrutura dos eletrodos e o comportamento durante a impressão. A equipe também avaliou o consumo de pasta e a geometria dos contatos para determinar a economia efetiva com matérias-primas metálicas.
A equipe preparou cinco pastas para a metalização traseira, contendo 90% de pó metálico, 2% de frita de vidro e 8% de veículo orgânico. Uma pasta exclusivamente de prata foi utilizada como referência, enquanto as outras quatro formulações continham de 5% a 15% de níquel na fração de pó metálico, utilizando dois pós comerciais identificados como Ni-1500 e Ni-4000.
As pastas foram aplicadas por serigrafia em células solares industriais TOPCon do tipo n, com dimensões de 182 mm × 183,75 mm. Em seguida, as células passaram por secagem, co-queima com temperatura máxima programada de 724 °C e otimização dos contatos por meio da técnica de contato aprimorado por laser (LECO, na sigla em inglês).
Os experimentos foram realizados em duas rodadas de produção industrial, com pelo menos 12 células por formulação. Os pesquisadores mediram a eficiência das células, a resistência em série e as características elétricas espaciais utilizando equipamentos de teste calibrados e técnicas de imageamento. As resistividades dos contatos e dos dedos de metalização foram avaliadas, respectivamente, pelo método de comprimento de transferência e por medições com sonda de quatro pontas. Microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia de raios X por dispersão de energia e espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X foram utilizadas para examinar a microestrutura dos eletrodos e as interfaces de contato.
A equipe também mediu a geometria dos contatos, a viscosidade das pastas e o consumo efetivo de material para avaliar o comportamento durante a impressão. O consumo de Ag e Ni por watt foi calculado com base na quantidade de pasta depositada e na potência média das células. Os custos com matérias-primas metálicas dos contatos traseiros foram estimados a partir de preços representativos dos metais, permitindo avaliar os benefícios econômicos da substituição parcial da prata por níquel.
A análise mostrou que as características do pó de níquel influenciaram significativamente o desempenho elétrico e o comportamento de impressão das células TOPCon. O pó mais fino, Ni-1500, apresentou maior área superficial específica e maior teor de oxigênio do que o pó mais grosso, Ni-4000, além de maiores perdas resistivas para a mesma proporção de níquel na formulação.
Com 5% de Ni, a formulação com Ni-1500 manteve a eficiência de referência, de 26,349%. Entretanto, o aumento da concentração para 10% reduziu a eficiência em 0,225 ponto percentual, para 26,124%. Já a formulação com 10% de Ni-4000 alcançou eficiência de 26,325%, apenas 0,024 ponto percentual abaixo da referência.
As medições elétricas revelaram maiores resistividades de contato e dos dedos de metalização na formulação com 10% de Ni-1500. As análises por microscopia identificaram mais vazios e uma rede de prata menos contínua. A análise da superfície também indicou diferenças na química dos contatos relacionadas aos óxidos entre as formulações. A substituição parcial da prata por níquel aumentou a largura dos contatos impressos e o consumo de pasta, sobretudo nas concentrações mais elevadas.
Os pesquisadores concluíram que a formulação com 10% de Ni-4000 apresentou o melhor equilíbrio entre custo e eficiência, reduzindo em 6,8% os custos com matérias-primas metálicas dos contatos traseiros, o equivalente a US$ 561.500/GW. O aumento da concentração de Ni-4000 para 15% manteve eficiência semelhante, de 26,302%, mas elevou o consumo de pasta em 17% em relação à formulação de referência, exclusivamente com prata. Com isso, a economia nos custos caiu para apenas 0,3%.
“Esses resultados destacam a necessidade de avaliar a substituição da prata por níquel considerando os efeitos combinados das características do pó, da formação dos eletrodos e do consumo efetivo de pasta”, afirmaram os pesquisadores. “Otimizações adicionais devem considerar as interações entre as propriedades do pó de níquel, a química da frita de vidro e a reologia da pasta, além da confiabilidade da metalização no longo prazo.”
Os resultados foram apresentados no estudo “Powder-dependent electrical and printing constraints on Ag substitution in Ag-Ni pastes for TOPCon rear metallization”, publicado na revista Solar Energy Materials and Solar Cells. A equipe de pesquisa incluiu cientistas da fabricante chinesa de materiais para deposição física de vapor (PVD, na sigla em inglês) Shenzhen APG e da australiana SunDrive.
A SunDrive desenvolveu uma tecnologia própria de eletrodeposição de cobre que substitui a prata na metalização de células solares, com o objetivo de reduzir os custos de fabricação e aumentar a eficiência.
Como já noticiado pela pv magazine, a empresa australiana firmou parceria com as chinesas Maxwell Technologies e Jiangsu Vistar Equipment Technology para desenvolver e comercializar equipamentos industriais de deposição direta de cobre em células solares de heterojunção (HJT). Anteriormente, a empresa demonstrou uma célula HJT com eficiência de 26,41% utilizando seu processo de metalização à base de cobre. Mais recentemente, obteve AUD 25,3 milhões (US$ 16,5 milhões) em financiamento do governo australiano para apoiar o desenvolvimento de um equipamento de produção em escala comercial de 300 MW.
A UNSW também desenvolveu diferentes abordagens para reduzir o consumo de prata na metalização de células solares. Como já noticiado pela pv magazine, seus pesquisadores demonstraram uma técnica de serigrafia com menor consumo de prata que reduziu em 85% o uso do metal na face traseira de células TOPCon, combinando contatos intermitentes de prata com dedos de metalização e barramentos sem prata.
Em outro estudo realizado em parceria com a Trina Solar, a universidade desenvolveu células solares de contato traseiro sem prata, utilizando contatos de alumínio aplicados por serigrafia. A UNSW também investigou contatos revestidos com cobre para células solares TOPCon e de heterojunção, com foco na confiabilidade da metalização, na resistência à corrosão e na estabilidade mecânica.
