Rozwój fotowoltaiki opiera się głownie na modułach PV, które przeznaczone są do budowy małych, średnich i wielkich instalacji fotowoltaicznych. Producenci z roku na rok udoskonalają swoje produkty pod względem konstrukcyjnym oraz wprowadzają na rynek moduły PV, które są coraz sprawniejsze, a co za tym idzie, o jeszcze większej mocy maksymalnej.
Więcej w artykułach: Nowy rekord sprawności modułu fotowoltaicznego oraz Najsprawniejsze moduły PV – technologie i kierunki rozwoju cz.1 Najsprawniejsze moduły PV – technologie i kierunki rozwoju cz.2 oraz Najsprawniejsze moduły PV – technologie i kierunki rozwoju cz.3. Jednak rozwój modułów fotowoltaicznych przebiega wielotorowo. Pojawia się coraz więcej produktów dla szeroko pojętej branży budowlanej określanych jako BIPV (Building Integrated Photovoltaics) oraz do wielu niszowych zastosowań. W tej drugiej kategorii coraz częściej pojawiają się niewielkie moduły i systemy magazynowania przeznaczone do użytku w domu i poza nim. Przykładem mogą być przenośne systemy oparte o lekkie moduły PV firmy ECOFLOW. Składają się z przenośnych akumulatorów (powerbanków), systemów elektronicznych oraz niewielkich modułów PV. I właśnie w przypadku takich modułów PV to nie moc maksymalna czy trwałość na poziomie 30 lat jest kluczowa, ale przede wszystkim niska ciężar i możliwość składania lub rolowania modułu, do czego konieczna jest jego wysoka elastyczność.
Wspomniana elastyczność to cecha, której nie posiadają najpopularniejsze moduły PV zbudowane w oparciu o wysokosprawne ogniwa krzemowe. Aby uzyskać nieprzeciętną trwałość sięgającą kilkudziesięciu lat stosuje się hartowaną szybę o grubości 3,2 mm, aluminiową ramę i polimery zabezpieczające. Taki układ wyklucza elastyczność. Nawet gdyby zastosować materiał o porównywalnej do szkła trwałości oraz te same polimery zabezpieczające moduł jako całość nie będzie miał już tak wysokiej trwałości oraz odporności na uszkodzenia. Wynika to z faktu, iż ogniwa na bazie krzemu krystalicznego produkowane są przy użyciu płytek, które są stosunkowo kruche. Co ciekawe powodem, dla którego płytki są tak kruche nie jest ich grubość (choć pewnej bariery nie można przekroczyć) ale tekstura, która jest wykonywana na ich powierzchni podczas produkcji ogniwa. Można zatem przyjąć, że idealnie płaska (pozbawiona tekstury) płytka krzemowa mogłaby być cieńsza niż typowe 170 mm przy jednoczesnym zachowaniu odpowiedniej wytrzymałości i elastyczności. W tym miejscu należy zadać pytanie, dlaczego wykonuje się teksturę, skoro obniża ona wytrzymałość mechaniczną płytki krzemowej ? Okazuje się, że jest to najlepszy sposób na rozwinięcie powierzchni przedniej ogniwa, a tym samym znaczącą redukcję odbicia padającego na nią światła. Bez tego elementu nie można wykonać krystalicznego krzemowego ogniwa o dużej powierzchni czynnej i sprawności konwersji powyżej 20%.
Przez wiele lat prowadzono szereg badań nad poprawą elastyczności krystalicznych krzemowych ogniw fotowoltaicznych. Już wcześniej wykonywano elastyczne płytki krzemowe o grubości rzędu 40 mm, a na ich bazie ogniwa HJT [1]. Jednak pomimo wysiłków na przestrzeni kilkudziesięciu ostatnich lat nie udało się osiągnąć w pełni satysfakcjonujących rezultatów.
W tym roku nastąpił jednak przełom. 25 maja 2023 r. w jednym z najważniejszych periodyków w świecie nauki tj. Nature opublikowano artykuł, w którym pokazano najnowsze wyniki badań nad wysokosprawnymi elastycznymi ogniwami fotowoltaicznymi na bazie krzemu krystalicznego [2].
Autorzy badań opisali mechanizm, który odpowiada za pękanie teksturyzowanych płytek krzemowych. Okazuje się, że do pęknięć dochodzi najpierw w ostrych kanałach między piramidami na powierzchni płytki w obszarze znajdującym się na obszarze brzegowym. Zaproponowali rozwiązanie tego problemu w postaci procesu, który prowadzi do „stępienia” struktury piramidalnej w obszarach brzegowych. Na tak zmodyfikowanych płytkach grubości 60 mm wytworzyli ogniwa o powierzchni 244,3 cm2, sprawności 24 % i co najważniejsze, wysokiej elastyczności. Spektakularny poziom elastyczności pokazuje „zrolowane” ogniwo przedstawione na rysunku 1.
Rys. 1. Elastyczne ogniwo fotowoltaiczne zwinięte w rulon. Wymiary płytki bazowej: powierzchna 156 x 156 mm i grubość 60 mm [2].
Parametry te są imponujące jeśli wziąć pod uwagę fakt, iż ogniwa zachowują 100% sprawności konwersji energii po 1000 cykli zginania na boki. Wykonany z nich elastyczny moduł PV zachowuje 99,62% swojej mocy po cyklach termicznych w zakresie od -70 oC do 85 oC trwających 120 godzin. Ponadto zachowuje 96,03% swojej mocy po 20 minutach wystawienia na działanie strumienia powietrza, który modeluje wiatr wiejący podczas gwałtownej burzy.
Elastyczne ogniwa słoneczne mają duży potencjał rynkowy do zastosowania w fotowoltaice zintegrowanej z budynkami, motoryzacji i przenośnej elektronice, ponieważ są lekkie i łatwe w przechowywaniu i transporcie. Do tej pory uważano, że największy potencjał aby wyprodukować w przyszłości wysokowydajne elastyczne moduły PV mają ogniwa na bazie amorficznego krzemu, CdTe oraz perowskitów. Żadna z wymienionych technologii nie oferuje jednak wielkopowierzchniowych ogniw, które jednocześnie mają wysoką sprawność, trwałość, stabilność parametrów i są elastyczne. Opracowanie omawianych ogniw krzemowych otwiera zupełnie nowy rozdział w produkcji elastycznych wysokosprawnych modułów PV.
W artykule wykorzystano ogólnodostępne informacje oraz dane z publikacji:
- Balaji, P., Dauksher, W. J., Bowden, S. G. & Augusto, A. Development of 40 μm thin flexible silicon heterojunction solar cells. In Proc. 2018 IEEE 7th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion. 2100–2103 (IEEE, 2018).
- Wenzhu Liu et al. “Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges” Nature, Vol 617, 25 May 2023
