Na świecie cały czas trwa wyścig w produkcji ogniw o najwyższej sprawności optycznej. Co jakiś czas bite są nowe rekordy, większość rozwiązań ma jednak zastosowanie bardziej laboratoryjne i doświadczalne, a nie przekłada się na linie produkcyjne. Poniżej omówię technologie sprawdzone w praktyce.
Przy produkcji i pracy ogniw PV występują problemy z zacienieniem, mikropęknięciami, odbiciem światła od różnych elementów ogniw (np. ścieżek prądowych), jak i samych kosztów produkcji. Wszystkie te elementy powodują szukanie nowych rozwiązań optymalizujących pracę ogniwa, tym samym zwiększających jego długotrwałą produkcję energii, także w warunkach słabego oświetlenia.
Wzrost liczby Busbarów
Typowe ogniwa krzemowe, szczególnie starszej generacji posiadają elektrody przednie wykonane w postaci cienkich ścieżek poziomych (fingers) zbierających ładunki z całej płytki i przekazujących je dalej ścieżkom pionowym połączeniowym (tzw. busbar). Ilość ścieżek pionowych i poziomych wpływa na dwa parametry pracy ogniwa:
– tzw. współczynnik wypełnienia FF
– rezystancję szeregową Rs
W praktyce na rezystancję ogniwa wpływa długość drogi jaką musi pokonać ładunek elektryczny w płytce.
Wzrost liczby ścieżek pionowych (busbarów) zmienia odległość pomiędzy najdalej wysuniętym punktem ścieżki zbierającej a ścieżką połączeniową. W ogniwach typu 2BB droga ta wynosi 38mm, 3BB – 25mm, a 5BB już tylko 12,5mm (dla ogniwa 6″). Wstarszych rozwiązaniach ogniw ilość busbarów wynosiła zwykle 2. W najnowszych dochodzi już do 5. Dalsze zwiększanie ilość busbarów jest bezcelowe, bowiem spada parametr FF. Zwiększenie ilości busbarów wpływa nie tylko na wzrost sprawności ogniw, ale także polepsza ich pracę w warunkach zacienienia jak i mikropęknięć, lub uszkodzeń mechanicznych wyłączających w tym wypadku mniejszą powierzchnię ogniwa.
Na rynku możemy też spotkać ogniwa wykonane w technologii MBB czyli (Multi-Busbar), gdzie ściezki prądowe są wykonane w odmienny sposób a ich ilość może wynosić 15 i więcej. Ilość ścieżek i sposób przepływu ładunku zależy tutaj od zastosowanej metody produkcji. Na świecie możemy obecnie spotkać co najmniej trzy odrębne rozwiązania: technologia Smartwire szwajcarskiej firmy Meyer Burger, technologia Merlin oraz Multi Busbar Connector Schmidta.
Smartwire – polega na zastosowaniu siatki przewodów na płaszczyźnie ogniwa fotowoltaicznego zamiast konwencjonalnego rozwiązania jakim są szyny połączeniowe. Ilość połączeń elektrycznych w pojedynczym ogniwie dochodzi tutaj do 2660, co zapewnia:
– wyższą odporność na obciążenie śniegiem i mikropęknięcia
– wysoką wydajność w warunkach słabego oświetlenia
Technologia Merlin – polega na tym, że zamiast srebrowych busbarów w ogniwie krzemowym umieszcza się specjalnie uformowaną siatkę miedzianą na i pod ogniwem fotowoltaicznym. Według GT ta technologia ma wiele zalet, np. zmniejsza zużycie srebra w procesie produkcyjnym PV, ma lepsze właściwości transportu ładunku z ogniwa, połączenia wewnętrzne są zdecydowanie mocniejsze co umożliwia produkcję lżejszych i wytrzymalszych modułów.
Kluczowym elementem nowej technologii jest elastyczna siatka, która zastępuje tradycyjne elektrody przewodzące („busbars”), a jednocześnie znacznie redukuje zużycie kosztownych past wymaganych w produkcji tradycyjnych ogniw.
Oczekuje się, że nowe rozwiązania technologii Merlin zmniejszą ilość konsumpcji srebra w produkcji o 80%, przy jednoczesnym zwiększeniu wydajności i zmniejszenie kosztów produkcji paneli o około 10 %. Firma GT Advances Technology sądzi, że w wyniku zmiany sposobu elektryfikacji ogniw, moduły w technologii Merlin będą bardziej niezawodne i trwałe. Co więcej, Amerykanie wierzą, że umożliwi ona niższe koszty transportu i instalacji dzięki mniejszej wielkości i wadze paneli. Technologia Merlin ma także łatwo integrować się z istniejącymi liniami służącymi do produkcji ogniw i paneli.
Technologia Mutli Busbar Connector – firmy niemieckiej Schmidt – opiera się na siatce przewodów z drutu miedzianego o średnicy zaledwie 360mikronów pokrytej stopem SnPbAg o grubości 15 mikronów. Ilość busbarów na każdym ogniwie wynosi 12. Jednak technologia ich wykonania i mikroskopijna grubość zapewnia większy współczynnik wypełnienia niż w ogniwach z trzema busbarami. Okrągłe przewody powodują też odbicie bezpośrednio padających promieni słonecznych pod kątem i ich powrót do komórki. Jak podaje firma średni zysk energii w panelu w stosunku do tradycyjnych rozwiązań wynosi 6-9W.
Przykładem panelu wykonanego w tej technologii jest np. NeON 2 Firmy LG (fot.poniżej) o mocy 320Wp przy wymiarach 1640x1000mm (sprawność modułu 19,5%).
Technologia PERC
PERC, czyli pasywacja tylnej ścianki ogniwa (Passivated Emitter Rear Cell skrót PERC).
Rys. Porównanie budowy ogniwa tradycyjnego (po lewej) i typu PERC (po prawej) (źr. agh.edu.pl)
W technologii PERC pokrywa się tył płytki krzemowej specjalną warstwą dielektryka (izolatora), która posiada szereg otworów wyciętych przy pomocy lasera. Na tak wykonaną tylną ściankę nakłada się warstwę metalizacyjną w postaci płytki aluminiowej. Płytka krzemowa kontaktuje się w ten sposób z tylną warstwą aluminiową tylko poprzez wycięte mikroskopijne otwory. Taka konstrukcja pozwala w lepszym stopniu absorbować promieniowanie słoneczne. Dodatkowa wydajność energetyczna komórek PV z technologią PERC jest spowodowana lepszą zdolnością wychwytywania światła przy dłuższych długościach fali, na przykład gdy Słońce jest pod kątem (wczesne rano i wieczorem) lub w warunkach zachmurzenia. W tym czasie większa ilość niebieskiego światła (długości fali między 450 a 495 nm) jest pochłaniana przez atmosferę, ponieważ ma dłuższą drogę do przemieszczania się na powierzchnię Ziemi niż w przypadku, gdy Słońce jest bezpośrednio nad nim. Światło niebieskie jest zazwyczaj przekształcane w energię w pobliżu górnej części komórki, podczas gdy czerwone światło (długości fali między 620 a 750 nm) penetruje dalej przez komórkę i jest przekształcane w energię w pobliżu dna. Czerwone światło jest słabo absorbowane przez atmosferę Ziemi i w rezultacie komórki, które przechwytują więcej czerwonego światła są ogólnie bardziej wydajne (rys.7 poniżej).
Rys.7 Technologia PERC poprawia wewnętrzne odbicie światła przy długich długościach fal.
Długość fali powyżej 1180 nm nie są absorbowane przez płytkę krzemową. Zamiast tego, w standardowych komórkach, takie fale są absorbowane tylko w metalizowanej tylnej warstwie, wytwarzając ciepło, które zwiększa temperaturę komórki i zmniejsza jej wydajność konwersji. Ponieważ warstwa PERC odbija to światło z powrotem przez komórkę , zmniejsza ona poziom absorpcji przez warstwę metalizującą aluminium, a zatem samo nagrzewanie się paneli. To zmniejszenie absorpcji pomaga komórce pracować w chłodniejszych temperaturach i pozytywnie wpływa na wydajność energetyczną. Wzrost wrażliwości na światło wytwarzany przy użyciu technologii PERC widać w odpowiedzi widmowej komórki PERC (rys. 8). Jak pokazuje wykres, technologia PERC zwiększa absorpcję światła podczerwonego (długość fali między 1000 a 1180 nm), co powoduje zwiększoną wydajność prądową i komórkową.
Rys.8 Technologia PERC zwiększa wrażliwość komórek na długość fali między 1000 i 1180 nm
Panele w technologii PERC wykazują większa moc średnio o 4W dla panelu z 60 ogniwami.
Kolejną innowacją w tej technologii jest ogniwo typu PERT ((ang. Passivated Emitter Rear Cell Totally Diffused). W odróżnieniu do wyżej opisanej technologii PERC w tylnej warstwie tego ogniwa nie ma żadnych otworów, przez które mogłyby uciec elektrony. Wszystkie padające na tylną ściankę elektrony są od niej odbijane i wracają do złącza p-n. W technologii PERT warstwa pasywacyjna stawia barierę, zapobiegając ucieczce elektronów, co sprawia, że po odbiciu od tylnej warstwy trafiają do ogniwa, co zwiększa uzysk energii.
Rys. Budowa ogniwa typu PERT (źr. agh.edu.pl)
Ogniwa typu PERT mogą być wykonywane w oparciu o wafle krzemowe typu n lub typu p. W przypadku konstrukcji ogniwa na waflu krzemowym typu p, warstwa rozpraszająca jest tworzona za pomocą domieszkowania borem tylnej warstwy wafla krzemowego typu p. Warstwa przednia, emiter wafli typu n powstaje poprzez dyfuzję fosforu. W przypadku oparcia konstrukcji ogniwa na waflu krzemowym typu n, emiter, czyli warstwa przednia, uzyskiwana jest przez dyfuzję boru, a tylna przez dyfuzję fosforu. Ogniwa typu PERT nie wykazują znaczącej degradacji wywołanej światłem i mogą być dostosowane do struktury ogniw dwustronnych.
Rys. Ogniwa typu PERT na dwóch różnych waflach krzemowych (źr. agh.edu.pl)
Ogniwa typu TOPCon
Ogniwa wykonane w technologii TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact), bazują na technologii PERC i pod wieloma względami niczym się od niej nie różnią. Różnica polega na dodaniu się dodatkowo jeszcze dwóch warstw – krzemu polikrystalicznego i ditlenku krzemu. 
Rys. Ogniwo TOPCon
Kluczowym składnikiem w technologii TOPCon jest ultracienka warstwa ditlenku krzemu, której grubość wynosi jedynie 1,5 nm, dzięki której możliwy jest selektywny przepływ elektronów przez tę warstwę przy pomocy zjawiska tunelowania (stąd nazwa technologii). Moduły oparte na technologii n-TOPCon charakteryzują się:
-
wysoką sprawnością na poziomie ponad 20%
-
niska podatnością na efekt LID i LeTid
-
mają niski współczynnik degradacji – około 1% w pierwszym roku i 0,4% w kolejnych latach,
-
wysoką efektywnością pracy przy słabym świetle, jak również w warunkach nasłonecznienia pod różnymi kątami,
-
niskim współczynnikiem temperaturowym rzędu 0,3%/°C,
Ogniwa typu HJT
HJT (czyli Heterojunction Techno logy). Materiałem bazowym jest wysokiej jakości krzem typu n, a warstwę pasywującą na przedniej i tylnej powierzchni wykonuje się z krzemu amorficznego. Przednia elektroda wykonywana jest najczęściej z użyciem technik grubowarstwowych. Natomiast elektroda tylna wykonywana jest technikami cienkowarstwowymi, na przykład techniką PVD (ang. Physical Vapor Deposition). Struktura ogniwa HJT pokazana jest na rys. powyżej.
Panele wykonane w tej technologii charakteryzują się wysoką sprawnością i bardzo niskim współczynnikiem temperaturowym, zaledwie 0,21%/°C (gdzie PERC 0,4, a TOPCon -0,3%) co w skali roku zapewnia im przewagę nad tymi rozwiązaniami. Przykładowa moc ogniwa wykonanego w tych trzech technologiach o mocy w warunkach STC rzędu 400Wp, wyniesie w temperaturze 65°C odpowiednio: PERC – 336W, TOPCon – 352W, a HJT – 366,4W.
Technologia M10 Shingle Matrix
System gontowy to nowatorski system produkcji modułów PV zaprezentowany na tragach Intersolar 2022 przez niemiecką firmę M10 Industries AG. W tej technologii ogniwa krzemowe są pocięte na wąskie paski i montowane ze sobą w panelu na zakład o szerokości rzędu 1,0-1,2mm za pomocą specjalnego elastycznego i przewodzącego kleju ECA (electrically conductive adhesive). Pozwala to całkowicie wyeliminować z produkcji użycie ołowiu.
Paski krzemowe układane są najczęściej wzorem muru z cegieł, dzięki czemu wykorzystuje się do maksimum powierzchnię modułu.
Zalety rozwiązania
- Maksymalne wykorzystanie elektryczne powierzchni modułu.
- Wysoka wydajność nawet przy częściowym zacienieniu modułów.
- Możliwość projektowania modułów w niemal dowolnym rozmiarze.
- Do 6% wyższa wydajność modułu w porównaniu z konwencjonalnymi modułami półogniwowymi
- Do 190% wyższa wydajność w przypadku częściowego zacienienia
- 100% bezołowiowe połączenie ogniw
Rys. Przykładowy wpływ zacienienia na pracę modułu wykonanego w technologii half-cut ( po lewej) i technologii gontowej (po prawej)
Spróbujmy bliżej się przyjrzeć tej technologii. Poniżej pojedynczy moduł gontowy. Paski mają tutaj wymiary 14,8×2,2cm i ułożone są schodkowo. Połączenia wzdłużne pasków wykonano klejem ECA metodą sitodruku. Każde wzdłużne połączenie ma osiem pasków tej samej długości Rys. b) poniżej.
Rys. Moduł wykonany w technologii gontowej. a) zdjęcie minimodułu składającego się z trzech pasków krzemowych, b) schemat połączeń wzdłużnych klejem ECA, c) przekrój przez moduł
Na rys. c) pokazano przekrój przez przykładowy moduł gontowy. Trzy paski krzemowe znajdują się tutaj pomiędzy obustronną warstwą materiału hermetyzującego. Od góry przykryte są warstwą szkła, a od dołu dodatkową warstwą transparentnej folii na bazie polimeru BS.