Por qué las celdas solares BC son más propensas a la curvatura y deformación
Tabla de contenidos
Respuesta rápida: Las células de contacto posterior son más propensas a la combadura y al alabeo que las células de contacto frontal porque ambos contactos de polaridad se sitúan en la parte posterior, por lo que el volumen de metalización posterior y la tensión que introduce están desequilibrados respecto a la parte frontal. Cuando la célula se enfría tras el proceso de cocción, el metal posterior se contrae contra una cara frontal sin metalizar, y el resultado es una curvatura que puede medirse en fracciones de milímetro en una célula de 182 mm o 105 mm. Las temperaturas de procesamiento implicadas —alrededor de 110 °C en pasos posteriores frente a una referencia ambiente cercana a 22 °C— determinan cuánta contracción diferencial se acumula. La combadura es importante porque una célula alabeada no se asienta plana sobre la ensambladora ni en el laminado, lo que produce errores de posicionamiento, espesor desigual del encapsulante tras el laminado y, en el peor de los casos, microfisuras en la unión.
Fabricación de módulos fotovoltaicos · por Jerry, Ooitech
Curvatura y alabeo de células solares BC
En la intensa competencia entre las rutas tecnológicas fotovoltaicas, las células solares BC, o de contacto trasero, se destacan por su diseño eficiente y visualmente limpio. Sin líneas de rejilla metálicas en la superficie frontal, las células BC se han convertido en una de las direcciones tecnológicas más observadas de la industria.
Sin embargo, detrás de esa apariencia limpia se esconde un difícil problema de fabricación: las células BC son naturalmente más propensas a curvarse y alabearse.
Como han señalado los especialistas del sector, todos los electrodos están situados en la parte posterior, por lo que la célula es intrínsecamente propensa a la deformación. Durante el ensamblaje del módulo, se añaden continuamente más materiales en la parte posterior, incluidos adhesivo aislante, zonas de cinta de soldaduras y pasta de soldadura. A medida que se acumulan estas capas, el problema de alabeo puede volverse cada vez más grave.
Entonces, ¿por qué las células BC son más susceptibles a la curvatura y al alabeo que las células solares convencionales?
1. La asimetría estructural crea un riesgo inherente de alabeo
La característica más distintiva de una célula BC es que tanto los electrodos positivos como los negativos están colocados en la superficie trasera. No hay líneas de rejilla metálicas en la parte frontal. Este diseño mejora la absorción de luz, pero también introduce una debilidad estructural inherente.
Las investigaciones indican que Las células BC muestran un alabeo significativamente mayor que las TOPCon células con electrodos distribuidos por las superficies frontal y posterior. Bajo estructuras traseras similares, las líneas de rejilla frontales pueden compensar parcialmente la deformación causada por la contracción en la parte posterior.
Las células BC no tienen estas líneas de rejilla frontales. El desequilibrio de tensiones resultante entre las superficies frontal y trasera hace que la deformación cilíndrica sea más probable durante la fabricación y el uso.
Esta asimetría estructural es esencialmente el resultado de una tensión desigual. Es similar a la forma en que un girasol se inclina hacia la luz solar debido a las diferentes tasas de crecimiento en sus lados sombreados e iluminados. En una célula BC, la tensión de contracción generada por las múltiples capas del lado posterior es mucho mayor que la tensión en el frente, lo que naturalmente hace que la oblea se doble.
2. Desajuste de Expansión Térmica entre los Materiales del Lado Posterior
Se deben aplicar varias capas funcionales en la parte posterior de una célula BC. Además de los electrodos metálicos convencionales, estas pueden incluir materiales aislantes, pasta de soldadura y cintas de soldadura. Las diferencias en los coeficientes de expansión térmica entre estos materiales son un factor principal de la deformación.
La diferencia de expansión entre el metal y el silicio es particularmente significativa. La plata tiene un coeficiente de expansión térmica aproximadamente siete veces mayor que el del silicio. Durante la fabricación de la célula, esta diferencia puede generar una tensión térmica sustancial entre la metalización de plata y el sustrato de silicio. La deformación puede volverse aún más severa después de imprimir la pasta de soldadura.
Los materiales aislantes también juegan un papel importante. Se requiere aislamiento para separar los electrodos positivo y negativo en la superficie posterior, pero el coeficiente de expansión térmica del material aislante difiere del de la oblea de silicio. Si el área de contacto entre el aislamiento y la célula es demasiado grande, el consumo de material aumenta y la tensión causada por el desajuste de expansión térmica también aumenta. Esto puede intensificar la deformación de la célula y provocar riesgos en el proceso, como rotura de la célula y que las células se peguen o se superpongan durante la manipulación.
3. La Soldadura de un Solo Lado Produce Tensión Mecánica Desequilibrada
Los módulos BC generalmente usan soldadura de un solo lado, con todas las cintas de soldadura concentradas en la superficie posterior. Esto es fundamentalmente diferente de la soldadura convencional de doble lado.
Por ejemplo, cuando se unen 21 cintas de soldadura a una célula de 182 mm × 105 mm, se produce una deformación significativa a medida que la temperatura desciende de 110°C a 22°C. Esto ocurre ya sea que el grosor de la célula sea de 0,13 mm, 0,15 mm o 0,18 mm.
La deformación proviene principalmente de la tensión térmica desigual generada durante la soldadura. Es un problema estructural inherente asociado con la interconexión de un solo lado utilizada para las células BC.
Lo más preocupante es que aumentar el grosor de la célula no resuelve el problema de manera efectiva. Los resultados de la simulación muestran que la soldadura de un solo lado puede producir una deformación de hasta 4.9 mm. Incluso cuando el espesor de la celda se aumenta a 0.18 mm, la deformación disminuye solo alrededor del 18%. Bajo las mismas condiciones, la deformación máxima causada por la soldadura de doble lado es de solo 0.07 mm.
| Condición de soldadura | Condición de la celda o del proceso | Comportamiento de deformación reportado |
|---|---|---|
| Soldadura de un solo lado | Celda de 182 mm × 105 mm con 21 cintas | Deformación significativa durante el enfriamiento de 110°C a 22°C |
| Soldadura de un solo lado | Espesor de celda de 0.13 mm, 0.15 mm o 0.18 mm | La deformación sigue siendo significativa en los tres espesores |
| Soldadura de un solo lado | Resultado de la simulación | La deformación puede alcanzar 4.9 mm |
| Soldadura de un solo lado | Espesor aumentado a 0.18 mm | La deformación se reduce solo alrededor del 18% |
| Soldadura de doble lado | Mismas condiciones de comparación | La deformación máxima es de aproximadamente 0.07 mm |
Esto significa que lograr el nivel de deformación de la soldadura de doble lado solo mediante el aumento del espesor de la oblea requeriría un espesor mucho mayor que 0.18 mm. Eso aumentaría sustancialmente el consumo de silicio y los costos de material.
El problema también puede continuar durante el laminado. El alabeo asimétrico causado por la soldadura de una sola cara puede comprimir el encapsulante alrededor de los bordes de la célula y la zona central. El encapsulante puede volverse más fino o incluso perforarse, creando puntos de concentración de tensiones locales que amenazan la integridad estructural y la fiabilidad del módulo a largo plazo.
4. Celdas más delgadas y más grandes amplifican el problema
La industria fotovoltaica continúa buscando obleas más delgadas para reducir los costos de silicio y formatos de celda más grandes para aumentar la potencia del módulo. Ambas tendencias pueden hacer que la deformación de las celdas BC sea más severa. La investigación muestra que reducir el espesor de la celda y aumentar el tamaño de la celda aumentan significativamente la deformación.
Para una celda de 210 mm × 210 mm, reducir el espesor de 150 μm a 70 μm aumenta la deformación reportada de 1.69 mm a 8.25 mm, casi un aumento de cinco veces.
| Tamaño de celda | Espesor de la celda | Deformación reportada |
|---|---|---|
| 210 mm × 210 mm | 150 μm | 1.69 mm |
| 210 mm × 210 mm | 70 μm | 8.25 mm |
Estas cifras muestran claramente el desafío que plantea el adelgazamiento de las obleas. Para una industria que busca tanto mayor eficiencia como menores costos, controlar la curvatura mientras se reduce el espesor del silicio se ha convertido en una barrera técnica que debe abordarse.
6. Estrategias de mitigación de la industria y perspectivas
La industria ya está explorando varias formas de gestionar la curvatura de las celdas BC. Los enfoques comunes incluyen:
Diseños de módulos de media celda: Las dimensiones más pequeñas de las celdas pueden reducir la altura absoluta de la curvatura.
Materiales y anchos optimizados de las líneas de rejilla: Ajustar las estructuras de metalización puede ayudar a gestionar la tensión en el lado posterior.
Soldadura a baja temperatura: Las temperaturas de proceso más bajas pueden reducir la tensión térmica durante la interconexión.
Prensado en caliente con adhesivo conductor: Esto proporciona una alternativa a los procesos convencionales de soldadura a alta temperatura.
Mecanismos de corrección con bloques de presión curvados: Se pueden integrar estructuras de corrección especiales en los equipos de tabulación y encadenado para controlar la forma de la celda durante el procesamiento.
Interconexión con cinta de soldadura a baja temperatura
Referencias
Dong Peng, Investigación sobre procesos de celdas solares de contacto posterior tipo N de alta eficiencia
MeCan Solar, Comportamiento de curvatura y optimización de la estructura de líneas de rejilla en celdas BC delgadas de gran formato
Revista de Energía Solar y Almacenamiento, La atractiva apariencia de la soldadura de un solo lado no puede ocultar la curvatura y sus riesgos asociados
La opinión de Ooitech
El control de la curvatura debe tratarse como un problema completo del proceso del módulo, no solo como un problema de espesor de la celda. La temperatura de soldadura, la disposición de las cintas, el control de presión, el manejo y la laminación deben ajustarse en conjunto, especialmente cuando se utilizan celdas BC delgadas y de gran formato. Una pequeña deformación no controlada en la etapa de interconexión puede convertirse en un problema de rendimiento o confiabilidad más adelante en la línea de producción.
