Aplicações de Laser na Indústria Fotovoltaica

No desenvolvimento e utilização da energia fotovoltaica (FV), a tecnologia laser—renomada por sua alta precisão e eficiência—está desempenhando um papel cada vez mais vital. Este artigo explora as diversas aplicações da tecnologia laser no setor de FV e fornece uma perspectiva sobre seu potencial de desenvolvimento futuro.

Corte a Laser

A tecnologia laser é amplamente utilizada para cortar silício cristalino. Ao controlar com precisão os parâmetros de corte a laser, os fabricantes podem obter fatiamento de wafers eficiente e com baixa perda, melhorando assim a eficiência e o rendimento dos módulos FV. O corte a laser também é empregado durante a fabricação de células solares, onde a gravação a laser permite a criação de estruturas de superfície em micro e nanoescala, aprimorando a absorção de luz e aumentando a potência de saída da célula.

Como um processo de alta precisão, o corte a laser é usado para fatiar células solares de silício em tamanhos desejados. O princípio básico envolve o foco de um feixe de laser na superfície do material a ser cortado. O material absorve a energia dos fótons, causando aquecimento localizado. Quando a energia do laser é suficientemente alta, a superfície do material é aquecida a um ponto que leva à fusão ou vaporização—fusão para metais e, tipicamente, vaporização para não metais como plásticos ou madeira.

Dopagem a Laser

A dopagem a laser é uma técnica de processamento de materiais amplamente utilizada em semicondutores—particularmente silício—para alterar suas propriedades elétricas. O princípio central envolve a irradiação da superfície do semicondutor com um laser de alta potência para fundir localmente o substrato e incorporar materiais dopantes (comumente boro ou fósforo) na rede de silício.

As principais vantagens incluem:

1. Alta precisão: A dopagem a laser oferece excelente resolução espacial e controle de dopagem.
2. Processamento sem contato: Como um método sem contato, evita danos mecânicos ou contaminação, tornando-o ideal para dispositivos de alto desempenho.
3. Alta produtividade: O processo é rápido e adequado para produção em larga escala.
4. Ampla compatibilidade de materiais: Aplicável a vários semicondutores, incluindo silício, arsenieto de gálio e arsenieto de índio.

Impressão por Transferência a Laser (Impressão por Transferência de Padrão, PTP)

A Impressão por Transferência de Padrão a Laser é uma técnica de impressão sem contato emergente. O princípio envolve revestir uma pasta desejada em um suporte flexível e transparente, e então usar um feixe de laser de alta potência para transferir seletiva e rapidamente a pasta do suporte para a superfície da célula para formar linhas de grade finas.

As principais etapas do processo incluem:

1. Preparação do substrato: O substrato normalmente inclui uma camada de óxido condutor transparente (TCO) para coletar e conduzir eletricidade.
2. Irradiação a laser: Um feixe de laser é precisamente digitalizado sobre o substrato, sinterizando ou padronizando-o localmente para formar a estrutura de eletrodo desejada.
3. Empilhamento de camadas: Camadas ativas e eletrodos podem ser transferidos camada por camada via transferência a laser.
4. Encapsulamento: A célula final é formada através de modelagem e encapsulamento.

As vantagens incluem:

1. Alta precisão: Capaz de alcançar padronização sub-2 μm com excelente uniformidade—ideal para células solares de alta eficiência. Compatível com pasta de prata de baixa temperatura (usada em células HJT).
2. Processamento sem contato: Evita danos ou contaminação da célula, suportando tecnologias de wafer mais finas.
3. Fabricação de alta velocidade: Permite produção rápida e de alta produtividade.
4. Adaptabilidade multi-material: Compatível com vários materiais, incluindo orgânicos e substratos à base de silício.
5. Economia de custos: Em comparação com a serigrafia, a transferência a laser permite linhas de grade mais estreitas (até 18 μm), reduzindo o consumo de pasta de prata em até 30%. Isso é particularmente vantajoso para células TOPCon e HJT que usam pastas de prata caras em ambos os lados.

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Perfuração a Laser

A perfuração a laser usa feixes de laser de alta densidade de energia para aquecer áreas localizadas de um material até o ponto de fusão, vaporização ou ablação, formando furos. Parâmetros-chave—como densidade de energia, tempo de exposição e posição focal—devem ser precisamente controlados para garantir a formação precisa dos furos. Diferentes lasers (CO₂, Nd:YAG, femtosegundo, etc.) são selecionados com base no tipo de material e na aplicação.

No setor fotovoltaico, a perfuração a laser tem várias aplicações importantes:

1. Processamento de células solares: A perfuração a laser pode formar microfuros nas superfícies das células, aprimorando o aprisionamento de luz e reduzindo as perdas por reflexão, melhorando assim a eficiência de conversão. É adequado para wafers de silício, células multicristalinas e outros materiais fotovoltaicos.
2. Interconexão de células e módulos: A perfuração a laser é usada para criar furos de passagem para conexões elétricas entre as células, garantindo um fluxo de corrente suave e minimizando a perda de energia. Também suporta a fabricação de furos estruturais para estruturas de módulos e conectores.
3. Painéis traseiros de vidro fotovoltaico: Em módulos FV de vidro duplo, tanto o painel frontal quanto o traseiro são feitos de vidro. O painel traseiro requer perfuração precisa para rotear os fios elétricos para as caixas de junção, tornando a perfuração a laser um processo essencial no processamento profundo do vidro.

Conclusão

A perfuração a laser e outros processos a laser desempenham um papel fundamental na melhoria da eficiência das células solares, na redução dos custos de fabricação e no aprimoramento da qualidade do produto. Essas tecnologias contribuem significativamente para o avanço da energia solar e para a adoção mais ampla de fontes de energia renováveis.

Vale a pena notar que as aplicações de laser em fotovoltaica se estendem além dos processos mencionados acima e também incluem técnicas como sulcagem a laser (por exemplo, para células XBC) e ablação a laser (usada na produção de células PERC), entre outras.

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