Najnowsze rozwiązania techniczne w budowie ogniw fotowoltaicznych

mgr inż. Kamil Andruszkiewicz

prezes firmy EcoABM

prof. dr inż. Ryszard Tytko

prezes Eco Investment Sp. z o.o.

Jeżeli fotoogniwo posiada podstawę krzemową typu p – positive oznacza to, że ogniwo PV zbudowane jest na dodatnio (P – TYPE). Krzem wzbogaca się dodatkowo o Bor, który posiada od niego o jeden elektron mniej, natomiast górna część płytki zawiera Fosfor, którego liczba elektronów jest adekwatnie większa. Zabieg ten pozwala na utworzenie złącza p – n (positive – negative) umożliwiającego przepływ energii.

Technologii właśnie tego typu użyto w ogniwach typu PERC (Passivated Emitter and Rear Cell), obecnie powszechnie stosowanych. Jako pierwsza, metodę PERC wykorzystała norweska firma REC, a pasywne moduły polikrystaliczne ich produkcji zostały wprowadzone do obrotu masowego w 2015 roku. Wyjątkowość paneli PERC polega na zamieszczeniu w strukturze urządzenia dodatkowej warstwy dielektryka (izolatora elektrycznego) między górną częścią elektrody a dołem złącza p – n. Zadaniem izolatora jest ograniczenie przyciągania elektronów do aluminiowej elektrody dolnej. Kontakt elektrody ze złączem p – n zapewniają otwory wycięte przy pomocy lasera. Tylna warstwa ogniwa z „małymi dziurkami” umożliwia połączenie elektryczne między przeciwnymi stronami. Innowacyjność sposobu działania ogniw z izolatorem opiera się na wykorzystaniu odbłysku światła, mianowicie: izolator będący jednocześnie reflektorem mocy odbija światło słoneczne przechodzące przez strukturę panelu w zakresie fali od ok. 1000 do ok. 1200 nm od tylnej aluminiowej warstwy refleksyjnej, kierując w ten sposób fotony z powrotem do ogniwa, by mogły zostać zaabsorbowane przez powłokę krzemową.

Poza optymalizacją wykorzystania fali przechodzącej przez ogniwo, odbicie światła pozwala na obniżenie temperatury pracującego panelu, co nie miałoby miejsca w przypadku tradycyjnej budowy urządzenia, a należy wskazać, że krzem wykazuje spadek wydajności wraz ze wzrostem temperatury. W przypadku ogniw klasycznych światło, które nie zostało zaabsorbowane do reakcji chemicznej skupia się na spodzie panelu, co powoduje uwolnienie elektronów lub przechodzenie światła przez ogniwo emitując ciepło. Z uwagi na to, że (w uproszczeniu) promienie słoneczne w panelach typu PERC przechodzą przez nie dwa razy, ich praca jest znacznie wydajniejsza, na co wpływa ich zdolność wykorzystywania światła o większej długości fali i co przekłada się szczególnie na zwiększenie uzysków rano, wieczorem i w pochmurne dni. Dodatkowo ogniwa typu PERC umożliwiają producentom osiągnięcie niższych kosztów produkcji modułu, co znacząco wpływa na ich sukces i popularyzację.

Wymiary modułu typu PERC to najczęściej ok. 1770×999×35 mm. Moduły w technologii PERC można zakupić w hurtowni fotowoltaicznej ecoABM poprzez stronę www.b2becoabm.com.

Jeżeli fotoogniwo posiada podstawę krzemową typu n – negative oznacza to, że ogniwo PV zbudowane jest na ujemnie (N – TYPE). Na stworzenie złącza przeciwstawnego n – p pozwala odwrotny dodatek boru i fosforu.

Taką właśnie budowę mają ogniwa PV N-Peak wykonane w technologii PERT (Passivated Emitter Rear Cell Totally Diffused). One również, tak jak ogniwa typu PERC, wykorzystują metodę pasywacji tylnej ścianki ogniwa, z pominięciem jednak wycięcia w niej otworów. W technologii PERT warstwa pasywacyjna stanowi bowiem barierę zapobiegającą ucieczce wolnych elektronów. Choć proces ten zachodzi z wykorzystaniem tożsamej metody odbicia światła od tylnej warstwy panelu, to pozbawienie ogniw PERT „małych dziurek” powoduje zwielokrotnienie produkcji energii poprzez efektywniejsze odzyskiwanie promieniowania w porównaniu z wykorzystaniem niejednolitej warstwy pasywacyjnej. Dzięki tej technologii ogniwa PV są również znacznie odporniejsze na rozkład spowodowany światłem (LID) oraz światłem i wysoką temperaturą (anti-LeTID).

Trendy w branży produkcji modułów PV nie pozostawiają wątpliwości: moduły N-TYPE to przyszłość instalacji fotowoltaicznych, a szczególny wpływ mają na to przede wszystkim:

• wyższa wydajność niż modułów P-TYPE;
• dłuższa żywotność modułów typu N-TYPE w porównaniu z modułami typu P-TYPE;
• sposób ułożenia ogniw „na zakładkę”, co zwiększa powierzchnię i wydajność modułu;
• wieloprzewodowe połączenia komórkowe (9 busbar) ograniczające efekt cieniowania;
• eliminacja tzw. defektu boru-tlenu;
• odporne na LID (Light Induced Degradation) – zjawisko szybkiej, lecz krótkotrwałej degradacji pod wpływem padającego na ogniwo promieniowania słonecznego;
• bardzo niska roczna strata mocy na poziomie ok. 1% w pierwszym roku i bardzo niskim spadku o ok. 0,4% rocznie przez 30 lat;
• koszt procesu wytwarzania ogniw słonecznymi typu P i N, który jest porównywalny;
• niezwykle trwała i lekka folia PVF TEDLAR;
• moduły N-TYPE występują w wariantach Monofacial i Bifacial (szyba – szyba, wykorzystuje padające światło zarówno z przedniej jak i tylnej strony ogniwa, zapewniają wyższą moc);
• większy zwrot z inwestycji.

Typowe ogniwa krzemowe, szczególnie starszej generacji, posiadają elektrody przednie wykonane z 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: współczynnik wypełnienia FF oraz na rezystancję ogniwa. W praktyce na rezystancję ogniwa wpływa długość drogi, jaką musi pokonać ładunek elektryczny w płytce. W starszych rozwiązaniach ogniw ilość busbarów wynosiła zwykle 2. W najnowszych, ich ilość sięga nawet 12.

Zwiększenie ilości busbarów oddziałuje nie tylko na wzrost sprawności ogniw, ale także polepsza ich pracę w warunkach zacienienia oraz w przypadku mikropęknięć lub uszkodzeń mechanicznych wyłączających w tym wypadku mniejszą powierzchnię ogniwa. Wzrost liczby ścieżek pionowych (busbarów) zmienia natomiast odległość pomiędzy najdalej wysuniętym punktem ścieżki zbierającej a ścieżką połączeniową. W ogniwach typu 2BB droga ta wynosi 38 mm, 3BB – 25 mm, a 5BB już tylko 12,5 mm (dla ogniwa 6 calowego). Ilość ścieżek i sposób przepływu ładunku zależy tutaj od zastosowanej metody produkcji.

a) Technologia Merlin – wykorzystuje specjalnie uformowaną siatkę miedzianą zamiast srebrowych busbarów na i pod ogniwem fotowoltaicznym z uwagi na lekkość materiału, niższą cenę i lepsze właściwości fizyczne miedzi, w szczególności jej trwałość oraz przewodnictwo ładunku z ogniwa. Użycie technologii Merlin zwiększa wydajność modułu o ok. 8% i powoduje zmniejszenie kosztów produkcji modułów o ok. 10%.

b) Technologia Mutli Busbar Connector – opiera się na siatce przewodów z drutu miedzianego o średnicy ok. 360 μm (10-6 m) pokrytej stopem cynowo – ołowiano – srebrnym o grubości 15 mikronów (μm). Ilość busbarów na każdym ogniwie wynosi 12. Technologia wykonania i mikroskopijna grubość zapewnia większy współczynnik wypełnienia niż w ogniwach z pięcioma busbarami. Okrągłe przewody powodują też odbicie bezpośrednio padających promieni słonecznych pod kątem i ich powrót do komórki. Średni zysk energii w panelu w stosunku do tradycyjnych rozwiązań szacuje się na ok. 6-9 W.

Moduły half-cut – ogniwa połówkowe

Nowym rozwiązaniem w budowie ogniw krzemowych PV jest użycie zamiast pełnowymiarowych komórek kwadratowych (o wymiarach 156 × 156 mm), komórek o połówkowym rozmiarze 156 x 78 mm i przeniesienie skrzynki przyłączeniowej na środek modułu, co sprawia, że na tej samej powierzchni panelu mieści się podwojona liczba ogniw „przeciętych” na pół.. Uzyskano w ten sposób mniejszą o połowę generację prądu przez mniejsze ogniwo PV. Standardowy moduł składa się z 60 ogniw, a half cut cell ze 120. Dodatkowo w rozwiązaniu tym zastosowano, zamiast aluminiowych połączeń ogniw, cienkie przewody miedziane. Pozwoliło to na zmniejszenie rezystancji przewodów łączących ogniwa połówkowe i obniżenie ich temperatury pracy, co wpływa pozytywnie na żywotność paneli. Podzielenie ogniwa na pół zmniejszyło opór elektryczny wewnętrzny, zapewniając tym samym wyższą moc wyjściową, większą wydajność oraz niezawodność.

Moduły połówkowe są również bardziej odporne na negatywne skutki zacienienia i zjawisko PID (Potential Induced Degradation) oraz ryzyko powstania trwałych uszkodzeń (hot spot) wywołanych dynamicznymi zmianami temperatury. Istotną korzyścią tego rozwiązania technicznego jest większy uzysk energetyczny (ok. 2%) modułu w przeliczeniu na Wp, bez zwiększenia jego powierzchni. Udoskonalono również nieznacznie sprawność ogniwa poprzez wykorzystanie technologii PERC.

Pomimo zasadniczych różnic w budowie przedstawionych ogniw, wspólne są dla nich przednia i tylna elektroda. Dodatkowo w przypadku elektrody przedniej jej budowa oraz sposób wykonania jest taki sam dla całej rodziny ogniw typu PERC i PERT i nie odbiega sposobem wykonania elektrod w typowych krystalicznych ogniwach fotowoltaicznych.