Ogniwa typu PERC są obecnie najbardziej popularnym rodzajem ogniw fotowoltaicznych na świecie. Co za tym idzie, największa ilość modułów PV, które obecnie opuszczają fabryki to właśnie te wykonane w oparciu o ogniwa typu PERC. Technologia ta niewątpliwie osiągnęła już kres swoich możliwości i jakiś przełom jest mało prawdopodobny.
Ogniwa wykonane w technologii PERC opisano szerzej w artykule: „Rodzaje ogniw w najnowszych modułach PV – technologie przyszłości”. Skoncentrowano się w nim także na najbardziej sprawnych ogniwach na rynku to jest wykonanych w technologii BC (ang. Back Contact) oraz HJT (ang. Heterojunction Technology). Niewątpliwie wymienione rodzaje są bardziej zaawansowane technologicznie niż ogniwa PERC i oba mają potencjał aby w przyszłości zastąpić tę technologię. Niestety opisane rozwiązania znacznie różnią się od PERC i dlatego zmiana technologii produkcji pociągałaby za sobą duże nakłady finansowe oraz daleko idącą restrukturyzację parku maszynowego. Dlatego może się okazać, że następcą ogniwa PERC będzie ogniwo w technologii TOPCon (ang. Tunnel Oxide Passivated Contacts).
Aby lepiej zrozumieć istotę problemu przechodzenia z jednej technologii na drugą, warto przypomnieć dlaczego ogniwa PERC zastąpiły starszy i mniej wydajny typ ogniw fotowoltaicznych określany często jako BSF. Ogniwo tego typu zdominowało rynek fotowoltaiczny wiele lat temu. Zbudowane było na bazie krzemu krystalicznego, a w swej strukturze posiadało dwa główne obszary o odmiennym typie przewodnictwa (n i p) oraz przednią i tylną elektrodę przyłączeniową. Aby zwiększyć sprawność takiego ogniwa starano się ograniczyć odbicie światła i w tym celu wykonywano teksturyzację jego przedniej powierzchni oraz wytwarzano warstwę przeciwodbiciową (ARC). Do ogniw, które umieszczano w pierwszych komercyjnych modułach PV, dodano jeszcze jedną warstwę, a mianowicie obszar o typie przewodnictwa p+ na tylnej stronie ogniwa. Nazwa to skrót od obszaru jaki znajduje się w takim ogniwie tj. Back Surface Field. Stąd też potoczna nazwa tego typu ogniw BSF (rys. 1).
Rys. 1. Struktura typowego jednozłączowego krystalicznego krzemowego ogniwa fotowoltaicznego BSF (z lewej) oraz wybranego ogniwa z rodziny PERC (z prawej) [1]
Na rysunku 1 przedstawiono także ogniwo z typu PERC a dokładnie jego odmianę PERL (ang. Passivated Emitter, Rear Locally Doped) [1]. W tym miejscu należy podkreślić, że określenie typu PERC należałoby zamienić na „rodzina ogniw typu PERC”. Jest tak dlatego, że nazwa PERC jest stosowana dla całej gamy ogniw takich jak PERC, PERL, PERT oraz ich modyfikacji. Więcej na ten temat w artykule „Rodzaje ogniw w najnowszych modułach PV – technologie przyszłości”. Najogólniej rzecz ujmując, w ogniwie typu BSF obszar o przewodnictwie p+ wspomaga transport nośników w kierunku złącza, co podnosi sprawność ogniwa. Ogniwa takie osiągają sprawność konwersji na poziomie 18%. Największą przeszkodą, aby uzyskać jeszcze większe sprawności konwersji w takim ogniwie, jest stosunkowo wysoka rekombinacja zarówno w obszarze przedniej, jak i tylnej powierzchni ogniwa.
Czym jest rekombinacja? W dużym uproszczeniu to proces odwrotny do procesu generacji (pary elektron-dziura), którego źródłem jest padające na ogniwo promieniowanie słoneczne. Idealne ogniwo to takie w którym nie ma rekombinacji, a wysokosprawne to takie, w którym jest ona minimalna. To właśnie pomysły na ograniczenie rekombinacji spowodowały rozwój ogniw PV należących do rodziny PERC. W ogniwach tych szczególny nacisk położono na pasywację tylnej i przedniej powierzchni. Efekt ten uzyskano poprzez zastosowanie warstwy pasywującej, czyli ograniczającej rekombinację (tlenek, SiNx), a także poprzez ograniczenie poziomu domieszkowania na powierzchni przedniej. Pomimo widocznych różnic w budowie przedstawionych ogniw, ich elementem niezmiennym jest bazowa płyta krzemowa, warstwa dyfuzyjna (emiter) oraz przednia i tylna elektroda. Między innymi to podobieństwo stało za sukcesem ogniw PERC. Dzięki niemu nakłady na modernizację linii technologicznych nie były większe niż potencjalne korzyści wynikające z produkcji nowego typu ogniwa.
Sytuacja jest podobna, gdy porównamy ze sobą ogniwo PERC z ogniwem TOPCon. Rozwiązania te schematycznie przedstawiono na rysunku 2.
Rys. 2. Struktura ogniwa z rodziny PERC (z lewej) oraz ogniwa TOPCon (z prawej)
Oprócz różnicy w rodzaju zastosowanej płytki bazowej (przy czym ogniwo PERC też może być wykonane na takiej płytce krzemowej), największe zmiany dotyczą tylnej części ogniwa. Pojawia się na niej ultracienki tlenek tunelowy oraz warstwa polikrystalicznego krzemy typu n. Czy takie udoskonalenie struktury ogniwa pozwoliło na osiągniecie jeszcze wyższych sprawności przy podobnych kosztach transformacji technologii? Aby dopowiedzieć na pytanie czy ogniwa wykonane w technologii TOPCon będę drugim najpopularniejszym rodzajem ogniw należy poddać analizie zagadnienia dotyczące:
- prognozy dotyczące zmian na rynku technologii dla fotowoltaiki,
- zmiany w ofercie największych producentów modułów PV,
- planowane nowe inwestycje w zakłady produkujące ogniwa,
- problemy wynikające ze zmiany technologii w istniejących fabrykach,
- zalety i wady technologii TOPCon w porównaniu z PERC oraz BC i HJT.
Więcej w artykule: „Ogniwo TOPCon – następca PERC ? Cz.2.”
W artykule wykorzystano powszechnie dostępne materiały oraz:
- Green M.A., 2015. The Passivated Emitter and Rear Cell (PERC): From conception to mass production. Solar Energy Materials & Solar Cells, 143, pp. 190-197.
- Feldmann F., Bivour M., Reichel Ch., Hermle M., Glunz S.W., Passivated rear contacts for high-efficiency n-type Si solar cells providing high interface passivation quality and excellent transport characteristics, Solar Energy Materials & Solar Cells 120 (2014) 270–274
