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O crescimento das células de silício e a nova geração de módulos fotovoltaicos.

por 31 de agosto de 2020 Blog

As notícias mais recentes dos periódicos voltados para as energias renováveis, sugerem que a indústria fotovoltaica es em face de uma grande transição. Na última década, o mercado viu a potência dos módulos fotovoltaicos aumentar vertiginosamente. A partir do terceiro quarto de 2020, módulos de 500Wp serão realidade. Ainda que em pequena escala, a expectativa é que em 2021 já tenhamos no mercado módulos que superem 600Wp. Este artigo apresentará alguns dos degraus que levaram os módulos fotovoltaicos ao atual patamar, além de tentar descobrir quais serão os próximos passos dessa indústria que, mesmo em face da pandemia da Covid-19, continuou crescendo. 

Nos últimos anos, o mercado de módulos fotovoltaicos observou diversas mudanças sobre o padrão dos módulos fotovoltaicos. Podendo citar entre tantas, a transição para células PERC, a introdução do Half-Cut, o surgimento dos módulos multi-busbar, das shingled cell, o advento dos módulos bifaciais e vidro-vidro e, por fim, módulos com células cada vez maiores saindo dos antigos 156,75mm para respeitosos 210mm. 

Figura 2 – O caminho da dimensão dos Wafers/Células. Fonte: AikoCells

 

A transição para os módulos PERC (Passivated Emitter Rear Cell), foi um grande divisor de águas e trouxe ganhos notáveis para a eficiência das células. A tecnologia PERC permitiu que a potência dos módulos aumentasse enquanto a área dos mesmos se mantivesse quase inalterada. A modernização consiste em produzir células fotovoltaicas mais finas e fabricadas com uma camada adicional de passivaçãoDessa forma, obtêm-se células fotovoltaicas com menor uso de matéria prima (mais baratas) e de alta eficiência. 

Figura 3 – Estrutura de uma céula PERC. Fonte: Longi Solar 

 

Outra inovação que apareceu nos últimos anos e tem se tornado cada vez mais popular é a Half-Cut que produziu os módulos half-cell. A tecnologia consiste na divisão pela metade das células que compõe os módulos. Essa alteração permitiu menos perdas resistivas internas, dado que a apenas metade da corrente total do módulo flui pelas células divididas. Ademais, os módulos half-cell tem uma maior tolerância a sombreamento, o que propicia uma maior geração de energia em locais onde este efeito é sabido. 

Figura 4– Módulo half-cell. Fonte: Longi Solar 

 

Mais uma inovação que tem se tornado popular é a multibusbar, que aparece muitas vezes nas fichas técnicas dos equipamentos como “MBB”. Resume-se em aumentar a quantidade de busbars sobre a célula. Apesar da maior quantidade, nos módulos MBB a espessura de cada busbar é menor, e com isso a área que cobre a célula diminui, causando menos sombra e melhora da eficiência. Essa configuração mitiga ainda mais as perdas resistivas inerentes ao módulo, visto que a corrente que flui pela célula é divida entre as busbarPerdas causadas por microfissuras ou micro-cracks também diminuem pois a área comprometida entre busbars é menor nos módulos MBB. 

Figura 5– Célula com 12 BusbarsFonte:Schmid Group

 

Os módulos shingle, não são muito comuns no Brasil, mas devem eventualmente aparecer por aqui. Nos módulos shingle as busbar não são visíveis, as células costumam ser divididas em 5 ou 6 partes iguais e têm suas extremidades sobrepostas. É a sobreposição das células é que dá o nome a tecnologia (lembram das telhas shingle?). Essa técnica permite que não haja espaço sobrando entre as células, o que melhora o aproveitamento da área do módulo e aumenta sua eficiência. O efeito visual desse design também é diferenciado e torna os módulos esteticamente mais bonitos. 

Figura 6– Célula Shingle. Fonte: Henkel Adhesives 

 

A bifacialidade dos módulos também veio para ficar. Com a finalidade de melhor aproveitar a incidência, tanto direta quanto a difusa, da luz sobre os módulos, os módulos bifaciais captam luz em ambas faces. Como resultado um aumento significativo da corrente que percorre o módulo e consequentemente da sua potência e eficiência. Esses módulos são revestidos de vidro não só na face frontal como também em seu backsheet, damos a essa configuração a nomenclatura vidro-vidro, dual-glass ou ainda double-glass 

O encapsulamento vidro-vidro pode estar presente também em módulos que não são bifaciais. Isso se deve pelo fato de que o vidro é um material que além de possuir uma característica eletricamente isolante, é também quimicamente mais inerte que o tedlar. Tal fato, assegura que degradações como PID afetem menos o módulo com essa tecnologia. Uma informação importante para o consumidor final é que, geralmente, os módulos double-glass apresentam uma garantia contra defeitos de fábrica de 12 anos e de eficiência de 30 a

Figura 7 – Funcionamento dos módulos Bifaciais. Fonte: Longi Solar 

 

Todas as tecnologias citadas acima contribuíram com a melhora gradual do desempenho dos módulos fotovoltaicos nos últimos anos. A mais recente mudança na indústria de módulos, ainda em curso, é a transição para a produção de wafers cada vez maiores. Até 2010 os wafers tinham tamanhos pequenos de 125mm x 125mm (diâmetro 164mm). Em 2014 veio a transição para wafers 156mm (M0) e logo em seguida para 156,75mm (M1 e M2) com diâmetros de 205mm e 210mm, respectivamente. Tivemos ainda algumas fabricantes aderindo também ao tamanho 161,75mm (M4), diâmetro de 211mm, como diferenciação de mercado. Em 2020 no Brasil, ainda é possível encontrar módulos que utilizem células nesse padrão, que estabilizou o tamanho dos módulos de 72 células em aproximadamente 2m x 1m por mais de meia década. 

Em meados de 2019 a aparição das half-cell veio juntamente com os wafer 158,75mm (M3 e G1) que elevou a potência dos módulos comerciais pela primeira vez a valores acima de 400W. 

A fim de trazer potências cada vez maiores e melhorar a eficiência das células, os fabricantes de wafers apresentaram na SNEC desse ano o que deve ser o novo padrão, pelo menos por algum tempo, módulos com células 166mm (M6) com potências que superam os 400W. Além disso, os fabricantes mostraram suas apostas para o futuro, wafers de 182mm (M8) e 210mm (M12), que irão pavimentar o caminho para módulos de 500W+. 

Figura 8 – Variação do tamanho dos wafersFonte:RENA 

 

A grande questão que fica para o instalador é: como fica o tamanho e o peso dos módulos, dado que, com o aumento das células as dimensões dos módulos também tendem a aumentar. Para responder a essa pergunta, há na tabela abaixo, uma lista de alguns módulos com cada padrão de célula onde pode-se observar o comportamento do tamanho e do peso dos módulos com diferentes tamanhos de células. 

A partir da tabela, pode-se observar que o módulo half-cell é maior que o módulo padrão, algo que era esperado, dado que a quantidade de espaços entre células dobrou. Além disso, pode-se notar que os módulos com células M6 em diante sofreram um acréscimo 10 a 40 cm na altura e 5 a 13 cm na largura, enquanto o peso pode superar os 30kg, principalmente se forem vidro-vidro.  

É bem provável que o peso dos módulos não supere muito esse valor, dado que o intuito das fabricantes é manter a possibilidade de que a instalação dos módulos seja feita por apenas duas pessoas, além de manter a compatibilidade entre os módulos e as estruturas existentes, sem necessidade de grandes adaptações. Dessa forma, mantém-se o LCOE da nova geração de módulos cada vez mais baixo. 

Em relação as dimensões, é difícil estimar até onde os módulos chegarão. Entretanto, é possível afirmar que o padrão 2 por 1 está com seus dias contados, ao menos para as usinas de solo, visto que, cada vez mais fabricantes apresentam módulos 156 half-cell com dimensões que chegam a quase 2,5m de altura e 1,2m de largura.  

Recentemente Longi, Canadian, Jinko, JA Solar e alguns outros fabricantes se uniram para pleitear um padrão em volta dos wafers M8, enquanto que Trina, Risen e Huangsheng defendem o padrão M12. Só o tempo dirá quem irá vencer essa batalha e ditará o novo padrão de módulos FV, enquanto isso, veremos em 2021 módulos com dimensões cada vez mais diferenciadas.  

 

Autor: 

Artur Kretli Coelho – Eng. Eletricista graduado pela UFES, atua desde 2018 com energias renováveis. É analista de produtos e responsável pelo suporte técnico na Fotus Energia Solar. 

 

Referências: 

  1. INFOLINK GROUP, 2Q20 China customs data analysis: Wafer size trend.
  1. SHAW, V. Big news as Zhonghuan Semiconductor unveils 12-inch super wafer.
  1. VILLALVA, M. G. Tecnologia PERC a nova geração de células fotovoltaicas.
  1. S. Brauna, G. Hahna, R. Nisslerb, C. Pönischb, D. Habermann. “Multi-busbar Solar Cells and Modules: High Efficiencies and Low Silver Consumption”, SiliconPV: March 25-27, 2013, Hamelin, Germany;
  1. OSBORNE, M. Why are monocrystalline wafers increasing in size?