Nejnovější technický vývoj v oblasti konstrukce fotovoltaických článků

Kamil Andruszkiewicz, M.Sc.

prezident EcoABM

Prof. Dr.-Ing. Ryszard Tytko

Prezident společnosti Eco Investment Sp. z o.o.

Pokud má fotovoltaický článek křemíkovou bázi typu p – positive, znamená to, že je fotovoltaický článek kladně (P – TYPE) postaven. Křemík je navíc obohacen o bór, který má o jeden elektron méně než on, zatímco horní část destičky obsahuje fosfor, jehož počet elektronů je odpovídajícím způsobem vyšší. Tento postup umožňuje vytvořit p – n (kladný – záporný) přechod, který umožňuje tok energie.

Tento typ technologie se používá v článcích PERC (Passivated Emitter and Rear Cell), které jsou nyní široce používány. Jako první použila metodu PERC norská společnost REC a její pasivní polykrystalické moduly byly v roce 2015 uvedeny na trh v masovém měřítku. Jedinečnost panelů PERC spočívá v zařazení další vrstvy dielektrika (elektrického izolantu) do struktury zařízení mezi horní elektrodou a spodní částí přechodu p – n. Úkolem izolantu je omezit přitahování elektronů ke spodní hliníkové elektrodě. Kontakt mezi elektrodou a p – n přechodem zajišťují otvory vyřezané laserem. Zadní vrstva článku s „malými otvory“ umožňuje elektrické spojení mezi protilehlými stranami. Inovace metody izolátorového článku je založena na využití odrazu světla, a sice: izolátor, který je zároveň energetickým reflektorem, odráží sluneční světlo procházející strukturou panelu v rozsahu vlnových délek přibližně 1 000 až 1 200 nm od zadní hliníkové reflexní vrstvy, a tím směřuje fotony zpět do článku, kde jsou absorbovány křemíkovým povlakem.

Kromě optimalizace využití vlnové délky procházející článkem umožňuje odraz světla snížit teplotu provozního panelu, což by u tradiční konstrukce zařízení nebylo možné, a je třeba zdůraznit, že křemík vykazuje s rostoucí teplotou pokles účinnosti. V případě běžných článků se světlo, které nebylo absorbováno pro chemickou reakci, soustřeďuje ve spodní části panelu, což způsobuje uvolňování elektronů nebo průchod světla článkem, při kterém se uvolňuje teplo. Protože (zjednodušeně řečeno) sluneční paprsky v panelech typu PERC jimi procházejí dvakrát, je jejich provoz mnohem účinnější, což je ovlivněno jejich schopností využívat světlo s delší vlnovou délkou a což se projevuje zejména ve zvýšených výnosech ráno, večer a za zamračených dnů. Články typu PERC navíc umožňují výrobcům dosáhnout nižších výrobních nákladů na moduly, což významně přispívá k jejich úspěchu a popularizaci.

Rozměry modulu typu PERC se obvykle pohybují kolem 1770 × 999 × 35 mm. Moduly s technologií PERC lze zakoupit u fotovoltaického velkoobchodu ecoABM prostřednictvím webových stránek www.b2becoabm.com.

Pokud má fotovoltaický článek n – zápornou křemíkovou základnu, znamená to, že je fotovoltaický článek konstruován na záporné straně (N – TYPE). Vznik n – p protilehlého přechodu je umožněn inverzním přídavkem boru a fosforu.

Taková je struktura N – pólových fotovoltaických článků vyrobených technologií PERT (Passivated Emitter Rear Cell Totally Diffused). Stejně jako články PERC i tyto články používají metodu pasivace na zadní straně článku, ale bez vyřezávání otvorů. U technologie PERT totiž pasivační vrstva funguje jako bariéra, která brání úniku volných elektronů. Ačkoli se při tomto procesu používá stejná metoda odrazu světla od zadní strany panelu, zbavení „malých otvorů“ v článcích PERT vede ke znásobení produkce energie díky účinnějšímu využití záření ve srovnání s použitím nestejnoměrné pasivační vrstvy. Díky této technologii jsou fotovoltaické články také mnohem odolnější vůči degradaci způsobené světlem (LID) a světlem a teplem (anti-LeTID).

Trendy ve výrobě fotovoltaických modulů nenechávají nikoho na pochybách: moduly N-TYPE jsou budoucností fotovoltaických zařízení, a to zejména vlivem:

• vyšší účinnost než u modulů P-TYPE;
• delší životnost modulů N-TYPE ve srovnání s moduly P-TYPE;
• způsob uspořádání článků, které se „překrývají“, což zvyšuje plochu a účinnost modulu;
• vícevodičové propojení článků (9 přípojnic), které snižuje efekt stínování;
• odstranění tzv. bórovo-kyslíkové vady;
• odolnost vůči LID (Light Induced Degradation) – jevu rychlé, ale krátkodobé degradace vlivem dopadajícího slunečního záření na článek;
• velmi nízká roční ztráta výkonu, která činí přibližně 1 % v prvním roce a velmi nízký pokles přibližně 0,4 % ročně po dobu 30 let;
• náklady na výrobní proces solárních článků typu P a N, které jsou srovnatelné;
• extrémně odolná a lehká PVF fólie TEDLAR;
• moduly N-TYPE se vyrábějí ve variantách Monofacial a Bifacial (sklo na sklo, využívá dopadající světlo z přední i zadní strany článku, poskytuje vyšší výkon);
• vyšší návratnost investice.

Typické křemíkové články, zejména starší generace, mají přední elektrody tvořené tenkými vodorovnými dráhami (prsty), které sbírají náboj z celé destičky a předávají jej do svislých propojovacích drah (tzv. přípojnic). Počet vertikálních a horizontálních cest ovlivňuje dva provozní parametry článku: plnicí faktor FF a odpor článku. V praxi je odpor článku ovlivněn délkou cesty, kterou musí elektrický náboj v desce urazit. Ve starších řešeních článků byl počet přípojnic obvykle 2. V nejnovějších řešeních je počet přípojnic až 12.

Zvýšení počtu přípojnic nejenže zvyšuje účinnost článku, ale také zlepšuje jeho provoz ve stínu a v případě mikrotrhlin nebo mechanického poškození, což v tomto případě vylučuje menší plocha článku. Zvýšení počtu svislých cest (přípojnic) naopak mění vzdálenost mezi nejvzdálenějším bodem sběrné cesty a spojovací cestou. U 2BB článků je tato dráha 38 mm, u 3BB článků 25 mm a u 5BB článků pouze 12,5 mm (pro 6palcový článek). Počet cest a způsob, jakým zde proudí náboj, závisí na použitém výrobním postupu.

a) Technologie Merlin – používá speciálně tvarovanou měděnou síťku místo stříbrných přípojnic na fotovoltaickém článku a pod ním, a to díky lehkosti materiálu, nižší ceně a lepším fyzikálním vlastnostem mědi, zejména její odolnosti a vodivosti náboje z článku. Použití technologie Merlin zvyšuje účinnost modulu přibližně o 8 % a vede ke snížení výrobních nákladů na modul přibližně o 10 %.

b) Technologie Mutli Busbar Connector – je založena na měděném drátěném pletivu o průměru přibližně 360 μm (10-6 m) potaženém slitinou cínu, olova a stříbra o tloušťce 15 mikronů (μm). Počet přípojnic na každé buňce je 12. Výrobní technologie a mikroskopická tloušťka zajišťují vyšší faktor plnění než u buněk s pěti přípojnicemi. Kruhové vodiče také způsobují, že se přímé dopadající sluneční světlo odráží pod úhlem a vrací se do článku. Průměrný energetický zisk panelu ve srovnání s tradičními řešeními se odhaduje na přibližně 6-9 W.

Moduly s polovičním řezem – poloviční články

Novinkou v konstrukci křemíkových fotovoltaických článků je použití polovičních článků (156 × 156 mm) namísto čtvercových článků plné velikosti (156 × 156 mm) a přesunutí spojovací skříňky do středu modulu, což znamená, že na stejnou plochu panelu lze umístit dvojnásobný počet článků „rozříznutých“ na polovinu. Výsledkem je poloviční produkce proudu menšího fotovoltaického článku. Standardní modul se skládá ze 60 článků, zatímco napůl zkrácený článek jich má 120. Kromě toho byly v tomto řešení místo hliníkových spojů článků použity tenké měděné vodiče. Tím se snížil odpor vodičů spojujících napůl oříznuté články a snížila se jejich provozní teplota, což má pozitivní vliv na životnost panelů. Rozdělením článku na polovinu se snížil vnitřní elektrický odpor, čímž se dosáhlo vyššího výkonu, vyšší účinnosti a spolehlivosti.

Poloviční moduly jsou také odolnější vůči negativním účinkům stínění a jevům PID (Potential Induced Degradation) a riziku trvalého poškození (hot spot) způsobeného dynamickými změnami teploty. Významnou výhodou tohoto technického řešení je vyšší energetický výtěžek (přibližně 2 %) modulu na Wp, aniž by se zvětšila jeho plocha. Díky použití technologie PERC se také mírně zvýšila účinnost článku.

I přes zásadní rozdíly v konstrukci mají představené články společnou přední a zadní elektrodu. Navíc v případě přední elektrody je její konstrukce a způsob výroby stejný pro celou rodinu článků PERC a PERT a neliší se od způsobu výroby elektrod v typických krystalických fotovoltaických článcích.