Postawione w tytule pytanie wydaje się być z pozoru proste, a do tego mało istotne z punktu widzenia produkcji oraz eksploatacji modułów PV. Wydaje się oczywiste, że skoro moduł składa się z ogniw PV połączonych szeregowo, to w takim układzie muszą być między nimi przerwy. Jednak zarówno dla producentów, jak i użytkowników przerwy (odstępy między ogniwami) to ważny element modułu.
W przypadku tych pierwszych, kluczowy jest fakt, iż powierzchnia w module, którą zajmują przerwy miedzy ogniwami, jest nieaktywna elektrycznie a tym samym można powiedzieć, że jest marnowana. Gdyby jej nie było, moduł o tej samej mocy byłby mniejszy a więc zużyto by mniej materiałów – takich jak szkoło, EVA, ramy – do jego produkcji. Natomiast dla użytkowników, problem przerw między ogniwami, jest najczęściej związany z estetyką samych modułów. Wielu klientów oczekuje, że moduł będzie taflą szkła o jednolitym kolorze, najlepiej czarnym. Stąd też tak duże zainteresowanie modułami określanymi jako full black. Niestety w typowych modułach przerwy między ogniwami tworzą mało estetyczną kratownicę.
Jak przedstawiono na początku, występowanie samych przerw pomiędzy poszczególnymi ogniwami PV wynika z konstrukcji modułu i układu połączeń występujących między nimi. Ogniwa łączone są szeregowo, co wynika z charakterystyki napięcia pojedynczego ogniwa, które jest stosunkowo niskie i wynosi około 0,65 V. Prąd jest zaś stosunkowo wysoki, bo dla pojedynczego ogniwa, może osiągać wartość kilkunastu amperów. Dla takich wartości układ szeregowy jest najlepszym rozwiązaniem. W układzie tym każdy biegun dodatni łączy się z biegunem ujemnym kolejnego ogniwa i tak na przemian. Połączenia realizowane są z użyciem taśm miedzianych lutowanych do elektrod ogniwa. Bieguny, dodatni i ujemy, znajdują się po przeciwnych stronach ogniwa. Tym samym konieczne jest miejsce (odstęp), w którym miedziana taśma połączeniowa przejdzie ze strony górnej na dolną (rys. 1).
Rys. 1. Schemat przekroju połączenia dwóch ogniw PV w obszarze przerwy między nimi
W modułach produkowanych kilkanaście lat temu stosowano odstęp od 2,5 do 3 mm. W typowych, obecnie dostępnych, komercyjnych modułach PV wynosi on około od 1,5mm do 2 mm. Dotyczy to zarówno modułów zbudowanych w oparciu o ogniwa wykonane w technologii o wielu elektrodach przyłączeniowych na ogniwie (multi busbar), jak i ogniw z pięcioma elektrodami przyłączeniowymi (5BB). Zdjęcia typowych odstępów dla modułu z ogniwami 9 BB i 10 BB (multi busbar) pokazano na rysunku 2.
Rys. 2. Przerwy między ogniwami typu multi busbar. Z lewej ogniwa 9BB i przerwa 2 mm
z prawej ogniwa 10BB i przerwa 1,6 mm
Odstęp o szerokości około 2 mm nie jest przypadkowy. Wynika on z faktu, iż zmniejszenie tej wartości powodowało uszkodzenia (mikropęknięcia) ogniw w miejscu, w którym taśma przechodzi na drugą stronę ogniwa. Uszkodzenia tego typu pokazano na rysunku 3. Nie są one widoczne gołym okiem, dlatego zdjęcia wykonano przy użyciu techniki obrazowania odpowiedzi elektroluminescencyjnej ogniwa kamerą pracującą w zakresie emisji światła z ogniwa. Więcej o tej technice diagnostycznej w artykule: Zaawansowane metody diagnostyki modułów PV – elektroluminescencja.
Rys. 3. Mikropęknięcia ogniw przy krawędzi ogniw spowodowane zbyt małą przerwą między nimi
Mikropęknięcia mogą się pojawiać przy wybranych taśmach połączeniowych, a także we wszystkich miejscach, gdzie taśma połączeniowa z górnej strony ogniw przechodzi na jego dolną powierzchnię. Źródłem uszkodzeń, w zdecydowanej większości przypadków, jest zbyt mały odstęp pomiędzy ogniwami. Co ciekawe, do samego mikropęknięcia może dojść już podczas procesu lutowania, jak również podczas procesu laminacji, w którym na cały układ materiałów (szyba-EVA-ogniwa-EVA-tylny plastik zabezpieczający) naciska membrana laminatora. Zdarza się także, że pomimo zastosowania poprawnej odległości między ogniwami dochodzi do opisywanych mikrouszkodzeń, wówczas powodem jest za mało elastyczna taśma połączeniowa.
Jak widać na rysunku 3 mikropęknięcia mają podobny i regularny kształt przypominający literę V. Wynika to z faktu, iż monokrystaliczne krzemowe płytki podłożowe mają określoną orientację krystalograficzną. Można w pewnym uproszczeniu powiedzieć, że mikropęknięcia ją odwzorowują. Jak widać ich wielkość także może być różna. Mogą występować tylko przy krawędzi ogniwa (mała litera V), a także sięgać aż do elektrod przyłączeniowych na ogniwie (duża litera V). Badania długoterminowe modułów, w których zdiagnozowano mikropęknięcia przy krawędzi ogniw pokazują, iż z czasem może dochodzić do propagacji takich uszkodzeń.
Producenci nie mogą sobie pozwolić na tego typu defekty, dlatego niechętnie zmniejszają odstępy między ogniwami oraz dbają o wysoką elastyczność stosowanych taśm połączeniowych. Nie oznacza to jednak, że nie poszukują możliwości na zmniejszenie szerokości odstępów. Innowacyjne podejście do tego problemu pokazała firma LONGI. Opracowała ona specjalny rodzaj taśm połączeniowych, który pozwala na zmniejszenie odstępów do 0,6 mm [1].
W drugiej części artykułu więcej na temat technologii lutowania opracowanej przez LONGI, sposobów na łączenia ogniw bez odstępów, a także techniki maskowania przerw oraz postępów w pracach nad wykorzystaniem promieniowania słonecznego, które pada na pola między ogniwami.
W publikacji wykorzystano wyniki badań prowadzonych w LF IMIM PAN, powszechnie dostępne materiały oraz:
1. Technical whitepaper on LONGi’s proprietary Smart Soldering technology, LONGI
