Alemanha: Células HJT de base AZO sem MgF₂ degradam 16,38% sob calor úmido

De acordo com pt.wedoany.com-Pesquisas do Centro de Pesquisa Jülich (Forschungszentrum Jülich GmbH), na Alemanha, mostram que células solares de heterojunção (HJT) que utilizam óxido de zinco dopado com alumínio (AZO) no lugar do óxido de índio e estanho (ITO) como camada de óxido condutor transparente (TCO) são mais suscetíveis à degradação de desempenho sob condições de calor úmido. Após adicionar uma camada de cobertura de fluoreto de magnésio (MgF₂) sobre a superfície do AZO, a equipe de pesquisa conseguiu limitar a degradação da eficiência a cerca de 7% após 1.000 horas de envelhecimento por calor úmido.

Os pesquisadores explicam que o AZO cresce com estrutura policristalina, e as moléculas de água penetram rapidamente ao longo dos contornos de grão, deteriorando as propriedades elétricas do material, com consequente prejuízo à condutividade e à transparência óptica. Para esclarecer esse processo, a equipe investigou as mudanças no desempenho optoeletrônico e na morfologia da superfície de células HJT de base AZO sob condições de calor úmido, utilizando células de base ITO como grupo de controle.

No experimento, os pesquisadores depositaram camadas de ITO ou AZO com 70 nanômetros de espessura nas superfícies frontal e traseira de células HJT de dupla face e depositaram filmes independentes de ITO e AZO em substratos de vidro para observar isoladamente as mudanças no próprio material de óxido condutor transparente. Em seguida, as células foram integradas em minimódulos de célula única de 210 mm × 210 mm, utilizando dois esquemas de encapsulamento: uma estrutura vidro/vidro, com placas de vidro de 3,2 mm em ambos os lados; e uma estrutura leve de frontal/traseiro, com frontal de etileno-tetrafluoroetileno (ETFE) e traseiro de poliolefina contendo alumínio.

Ambos os projetos de módulos foram fabricados com células SHJ de base ITO ou AZO, sendo preparadas duas amostras de cada configuração. Todas as amostras foram submetidas a envelhecimento acelerado por calor úmido por 1.000 horas, a 85 graus Celsius e 85% de umidade relativa, de acordo com a norma IEC 61215, com registro do desempenho elétrico e imagens de eletroluminescência (EL) a cada 200 horas, além de medições de eficiência quântica externa e refletância.

Os resultados mostraram que, após 1.000 horas de exposição ao calor úmido, a eficiência das células HJT de base AZO sem cobertura adicional caiu relativamente 16,38%, com redução relativa de 9,84% no fator de preenchimento, intimamente relacionada ao aumento da resistência em série (Rs). No mesmo período, a perda de eficiência das células de base ITO foi de apenas 2,80% relativa, demonstrando estabilidade significativamente maior.

As imagens de eletroluminescência (EL) revelaram defeitos evidentes nos módulos leves de base AZO, atribuídos principalmente à penetração de umidade e à corrosão da camada de AZO; defeitos equivalentes não foram observados nos módulos vidro/vidro de base AZO nem nos dispositivos de base ITO. Isso indica que o encapsulamento vidro/vidro oferece proteção mais robusta contra umidade, enquanto o material ITO apresenta inerentemente melhor resistência à umidade.

A análise química revelou um aumento de espécies relacionadas a grupos hidroxila no AZO após exposição ao calor úmido, corroborando a hipótese de modificação química induzida pela umidade. Imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) mostraram ainda o aparecimento de sulcos de corrosão na superfície do AZO após o envelhecimento, enquanto o ITO manteve uma estrutura uniforme e densa.

Para enfrentar essa deficiência de resistência à umidade, os pesquisadores depositaram uma camada de cobertura de fluoreto de magnésio (MgF₂) com 110 nanômetros de espessura na superfície frontal das células de base AZO. Com essa camada de cobertura, a degradação da eficiência após 1.000 horas permaneceu em cerca de 7%, e os defeitos de eletroluminescência foram drasticamente reduzidos em comparação com as células AZO sem cobertura. A equipe de pesquisa destacou que o MgF₂ pode retardar a penetração de umidade e a corrosão, mas não forma uma barreira totalmente impermeável, e a estabilidade das células de base AZO ainda é inferior à do grupo de referência com ITO.

Os resultados foram publicados na revista Solar Energy Materials and Solar Cells sob o título "Unveiling the damp-heat-induced degradation mechanism of AZO-incorporated silicon heterojunction solar cells and modules". O artigo afirma que o estudo revela o mecanismo de degradação de células e módulos solares de heterojunção de silício de base AZO sob condições de calor úmido e propõe estratégias práticas para melhorar sua durabilidade e desempenho.