Naujausi technikos pasiekimai fotovoltinių elementų gamyboje

Kamil Andruszkiewicz, medicinos mokslų daktaras.

EcoABM prezidentas

Prof. Dr.-Ing. Ryszard Tytko

Eco Investment Sp. z o.o. prezidentas

Jei fotovoltinio elemento silicio pagrindas yra p – teigiamo tipo, tai reiškia, kad fotovoltinis elementas yra teigiamo (P – TYPE) tipo. Silicis papildomai praturtintas Boro, kuris turi vienu elektronu mažiau už jį, o plokštelės viršuje yra Fosforo, kurio elektronų skaičius atitinkamai didesnis. Ši procedūra leidžia sudaryti p – n (teigiamą – neigiamą) sandūrą, leidžiančią tekėti energijai.

Tokia technologija naudojama dabar plačiai naudojamuose PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) elementuose. Norvegijos bendrovė REC pirmoji pradėjo naudoti PERC metodą, o 2015 m. jų pasyviaisiais polikristaliniais moduliais pradėta masiškai prekiauti. PERC plokščių unikalumas slypi tame, kad į prietaiso struktūrą įtrauktas papildomas dielektriko (elektrinio izoliatoriaus) sluoksnis, esantis tarp viršutinio elektrodo ir apatinės p – n sandūros dalies. Izoliatoriaus funkcija – apriboti elektronų trauką į apatinį aliuminio elektrodą. Kontaktas tarp elektrodo ir p – n sandūros užtikrinamas lazeriu išpjautomis skylutėmis. Galinis elemento sluoksnis su „mažomis skylutėmis” užtikrina priešingų pusių elektrinį ryšį. Izoliatoriaus elemento metodo naujovė pagrįsta šviesos atspindžio panaudojimu, būtent: izoliatorius, kuris taip pat yra galios reflektorius, atspindi saulės šviesą, praeinančią pro skydo konstrukciją maždaug 1 000-1 200 nm bangos ilgio diapazone nuo galinio aliuminio atspindžio sluoksnio, ir taip nukreipia fotonus atgal į elementą, kur juos sugeria silicio danga.

Be to, kad optimaliai išnaudojamas pro elementą praeinančios bangos ilgis, šviesos atspindėjimas leidžia sumažinti veikiančio skydo temperatūrą, ko nebūtų galima padaryti naudojant tradicinę prietaiso konstrukciją, be to, reikia pažymėti, kad silicio efektyvumas mažėja didėjant temperatūrai. Įprastinių elementų atveju šviesa, kuri nebuvo sugerta cheminei reakcijai, koncentruojasi skydelio apačioje, todėl išsiskiria elektronai arba šviesa praeina pro elementą skleisdama šilumą. Kadangi (paprastai tariant) PERC tipo plokštėse saulės spinduliai pro jas praeina du kartus, jų veikimas yra daug efektyvesnis, o tam įtakos turi gebėjimas naudoti ilgesnio bangos ilgio šviesą, kuris ypač pasireiškia didesniu našumu ryte, vakare ir debesuotomis dienomis. Be to, PERC tipo elementai leidžia gamintojams pasiekti mažesnes modulių gamybos sąnaudas, o tai labai prisideda prie jų sėkmės ir populiarumo.

PERC tipo modulio matmenys paprastai yra apie 1770×999×35 mm. Modulių su PERC technologija galima įsigyti iš didmeninės fotoelektros įrangos didmenininkės „ecoABM” interneto svetainėje www.b2b.ecoabm.com.

Jei fotovoltinis elementas turi n – neigiamą silicio pagrindą, tai reiškia, kad fotovoltinis elementas yra pagamintas ant neigiamo (N – TYPE). N – p priešingos sandūros susidarymas įmanomas dėl atvirkštinio boro ir fosforo pridėjimo.

Tokia yra N – piko PV elementų, pagamintų naudojant PERT (Passivated Emitter Rear Cell Totally Diffused) technologiją, struktūra. Kaip ir PERC elementuose, juose taip pat naudojamas pasyvacijos metodas galinėje elemento dalyje, tačiau joje neišpjaunamos skylės. Taip yra todėl, kad taikant PERT technologiją pasyvacijos sluoksnis veikia kaip barjeras, neleidžiantis laisviesiems elektronams ištrūkti. Nors šiame procese naudojamas tas pats šviesos atspindėjimo nuo galinės skydo dalies metodas, PERT elementuose nelikus „mažų skylučių”, energijos gamyba padaugėja, nes efektyviau atkuriama spinduliuotė, palyginti su netolygiu pasyvinimo sluoksniu. Dėl šios technologijos fotovoltiniai elementai taip pat tampa daug atsparesni šviesos (LID) bei šviesos ir šilumos (anti-LeTID) sukeliamam irimui.

Fotovoltinių modulių gamybos pramonės tendencijos neleidžia abejoti: N-TYPE moduliai yra fotovoltinių įrenginių ateitis, o tam ypatingą įtaką daro:

• didesnis efektyvumas nei P-TYPE modulių;
• ilgesnis N-TYPE modulių tarnavimo laikas, palyginti su P-TYPE moduliais;
• elementų išdėstymo būdas „persidengiant”, dėl kurio padidėja modulio paviršiaus plotas ir efektyvumas;
• kelių laidų elementų jungtys (9 šynos), mažinančios šešėliavimo efektą;
• vadinamojo boro ir deguonies defekto pašalinimas;
• atsparumas LID (Light Induced Degradation) – greito, bet trumpalaikio degradacijos reiškinio, pasireiškiančio dėl krintančios saulės spinduliuotės poveikio elementui;
• labai mažas metinis galios sumažėjimas – apie 1 % per pirmuosius metus ir labai mažas sumažėjimas – apie 0,4 % per metus per 30 metų;
• P ir N tipo saulės elementų gamybos proceso kaina yra panaši;
• itin patvari ir lengva PVF TEDLAR plėvelė;
• N-TYPE moduliai būna monofacialiniai ir bifacialiniai (stiklas į stiklą, naudoja krintančią šviesą tiek iš priekinės, tiek iš galinės elemento pusės, užtikrina didesnę galią);
• didesnė investicijų grąža.

Tipiniai silicio elementai, ypač senesnės kartos, turi priekinius elektrodus, sudarytus iš plonų horizontalių takelių (pirštų), surenkančių krūvį iš visos plokštelės ir perduodančių jį į vertikalius jungiamuosius takelius (vadinamąsias šynas). Vertikaliųjų ir horizontaliųjų takų skaičius turi įtakos dviem elemento veikimo parametrams: užpildymo koeficientui FF ir elemento varžai. Praktiškai elemento varžą lemia kelio, kurį elektros krūvis turi nueiti plokštėje, ilgis. Senesniuose elementų sprendimuose šynų skaičius paprastai buvo 2. Naujausiuose elementuose šynų skaičius siekia 12.

Padidinus šynų skaičių ne tik padidėja elemento efektyvumas, bet ir pagerėja jo veikimas esant šešėliui ir atsiradus mikroįtrūkimams ar mechaniniams pažeidimams, kurie šiuo atveju neleidžia naudoti mažesnio elemento ploto. Kita vertus, didinant vertikalių takų (šynų) skaičių, keičiasi atstumas tarp tolimiausio surinkimo tako taško ir jungiamojo tako. 2BB elementuose šis kelias yra 38 mm, 3BB elementuose – 25 mm, o 5BB elementuose – tik 12,5 mm (6 colių elemento atveju). Kelių skaičius ir krūvio tekėjimo būdas čia priklauso nuo naudojamo gamybos būdo.

a) „Merlin” technologija – vietoj sidabrinių šynų ant fotovoltinio elemento ir po juo naudojamas specialiai suformuotas varinis tinklelis dėl medžiagos lengvumo, mažesnės kainos ir geresnių fizikinių vario savybių, ypač jo patvarumo ir krūvio laidumo iš elemento. Naudojant „Merlin” technologiją modulio efektyvumas padidėja apie 8 %, o modulio gamybos sąnaudos sumažėja apie 10 %.

b) „Mutli Busbar Connector” technologija – pagrįsta maždaug 360 μm (10-6 m) skersmens varinės vielos tinkleliu, padengtu 15 mikronų (μm) storio alavo-švino-sidabro lydiniu. Kiekviename elemente šynų skaičius yra 12. Gamybos technologija ir mikroskopinis storis užtikrina didesnį užpildymo koeficientą nei elementuose su penkiomis šynomis. Dėl apskritų laidų tiesioginiai krintantys saulės spinduliai taip pat atsispindi kampu ir grįžta į elementą. Apskaičiuota, kad vidutinis energijos prieaugis skyde, palyginti su tradiciniais sprendimais, yra apie 6-9 W.

Pusiau perpjauti moduliai – pusiniai elementai

Nauja silicio fotovoltinių elementų konstrukcijos naujovė – vietoj pilno dydžio kvadratinių elementų (156 × 156 mm) naudojami pusiau perpjauti elementai (156 × 156 mm), o sujungimo dėžutė perkeliama į modulio centrą, todėl tame pačiame skydo plote gali būti dvigubai daugiau per pusę perpjautų elementų. Dėl to mažesnio fotovoltinio elemento generuojama perpus mažesnė srovė. Standartinį modulį sudaro 60 elementų, o perpus perpjautą – 120. Be to, šiame sprendime vietoj aliumininių elementų jungčių buvo naudojami ploni variniai laidai. Tai sumažino perpus perpjautų elementų jungiamųjų laidų varžą ir sumažino jų darbinę temperatūrą, o tai teigiamai veikia plokščių tarnavimo laiką. Padalinus elementą per pusę, sumažėjo vidinė elektrinė varža, todėl užtikrinta didesnė galia, didesnis efektyvumas ir patikimumas.

Per pusę padalyti moduliai taip pat yra atsparesni neigiamam šešėliavimo ir PID (potencialo sukelto degradacijos) reiškinių poveikiui bei nuolatinio pažeidimo (karšto taško) rizikai, kurią sukelia dinamiški temperatūros pokyčiai. Reikšmingas šio techninio sprendimo privalumas – didesnė modulio energijos išeiga (maždaug 2 proc.) vienam Wp, nedidinant jo paviršiaus ploto. Naudojant PERC technologiją taip pat šiek tiek padidintas elemento efektyvumas.

Nepaisant esminių pateiktų elementų konstrukcijos skirtumų, jie turi bendrą priekinį ir galinį elektrodą. Be to, priekinio elektrodo konstrukcija ir gamybos būdas yra toks pat visai PERC ir PERT elementų šeimai ir nesiskiria nuo tipinių kristalinių fotovoltinių elementų elektrodų gamybos būdo.