33,9%. Nowy rekord sprawności ogniwa tandemowego krzem - perowskit

Informacje na temat kolejnych rekordów sprawności konwersji energii słonecznej na energię elektryczną ogniw i modułów pojawiały się już kilkukrotnie na naszym portalu. Wynika to za faktu, iż tego typu osiągnięcia najlepiej pokazują, jak rozwija się rynek fotowoltaiczny. W przypadku modułów PV duże znaczenie ma ich rodzaj, konstrukcja i parametry eksploatacyjne. Natomiast w przypadku ogniw szczególnie ważna jest technologia w jakiej zostały wykonane. Ponadto kolejne rekordy sprawności modułów PV są ściśle związane z rosnącą sprawnością najnowszych ogniw fotowoltaicznych.

Zmiany w geometrii przedniej elektrody ogniwa PV – sposoby na redukcję konsumpcji srebra

Pomimo rosnących cen surowców, zerwanych łańcuchów dostaw oraz ponadprzeciętnej inflacji w wielu rejonach świata rynek fotowoltaiczny nadal rośnie w niesamowitym tempie. Rok do roku zwiększa się ilość produkowanych ogniw oraz modułów fotowoltaicznych. W 2022 wprowadzono na rynek co najmniej 240 GW systemów PV. (rys. 1). 

Rys.1. Moc systemów PV instalowanych na świecie rok do roku. Źródło: IEA 2023

Po raz pierwszy moc wszystkich zainstalowanych modułów PV na koniec 2022 roku wyniosła 1184 GWp a to oznacza, że 6,2% całej energii elektrycznej generowanej na świecie pochodziło z fotowoltaiki. Jeszcze lepiej pod tym względem wypadają wybrane kraje europejskie takie jak Hiszpania, Holandia, Grecja czy Niemcy. W każdym z nich ponad 10% energii elektrycznej pochodzi z fotowoltaiki [1] (rys. 2). 

Rys.2. Procentowy udział fotowoltaiki w całkowitej produkcji energii elektrycznej w wybranych krajach Europy. Źródło: IEA 2023

Podobnie jeśli przeliczyć moc systemów fotowoltaicznych per capita to w światowej czołówce prócz Australii znalazły się Holandia i Niemcy (rys. 3).

Rys.3. Kraje o najwyższym wskaźniku: moc systemów PV per capita w 2022 roku. Źródło: IEA 2023

Prezentowane dane pokazują jak ważnym elementem światowego rynku energii elektrycznej jest fotowoltaika. Prognozy pokazują także, że w najbliższych latach będziemy świadkami kolejnych rekordów ilości wyprodukowanych i zainstalowanych systemów fotowoltaicznych (rys. 4). 

Rys. 4. Scenariusze rozwoju fotowoltaiki na przykładzie mocy zainstalowanych systemów w ujęciu rok do roku. Źródło SOLARPOWER EUROPE 2023

Jednocześnie coraz częściej pojawiają się informacje, że jednym z podstawowych problemów mogących zahamować tak szybki wzrost produkcji jest rosnąca konsumpcja srebra potrzebnego do produkcji ogniw PV. Na rynku dominują ogniwa oparte o technologie wytwarzania z użyciem płytek krzemowych oraz elektrod metalowych. Problem dotyczy  przedniej elektrody ogniwa, która jest wytwarzana za pomocą sitodruku z użyciem past srebrowych. Wybrane analizy pokazują, że coraz szybsze przechodzenie na czystą energię może spowodować wzrost łącznej mocy zainstalowanej systemów fotowoltaicznych z nieco ponad 1 TW na koniec 2022 roku do 15–60 TW na koniec 2050 roku. To stwarza znaczne ryzyko ogromnego wzrostu popytu na srebro. Dominacja dotychczasowych technologii produkcji może spowodować, że przemysł fotowoltaiczny będzie potrzebował około 20% obecnych rocznych dostaw srebra w 2027 oraz 85 do 98% procent światowych rezerw srebra w roku 2050 [2].

Z tego względu producenci ogniw PV ciągle poszukują nowych rozwiązań, które mogą przyczynić się do redukcji konsumpcji srebra lub mogły by nawet całkowicie jest wyeliminować. Pomijając bardzo innowacyjne koncepcje wytwarzania elektrody przedniej ogniwa innymi metodami niż sitodruk nadal prowadzone są prace, których celem jest udoskonalenie tego procesu. Pierwszym i najważniejszym obszarem działań jest dążenie do drukowania coraz cieńszych elektrod zbierających (ang. fingers) na przedniej powierzchni ogniwa. Obecnym standardem są elektrody o szerokości 30 µm. Prognozuje się, że szerokość ta w najbliższych dziesięciu latach zmniejszy się do nawet 15 µm [3].

Rys. 5

Jednak przednia elektroda typowego komercyjnego ogniwa fotowoltaicznego to nie tylko siatka elektrod zbierających ładunki (ang. fingers) ale także główne elektrody przyłączeniowe (ang. bus bars - BB). W miarę postępu technologii rosła ich liczba. Początkowo ogniwa miały tylko dwie takie elektrody (2BB), potem trzy a do niedawna pięć (5BB). Obecnie dominują technologie o 10 i 12 elektrodach przyłączeniowych (10BB i 12BB). Zwiększanie ilości elektrod bus bar połączone było z redukcja ich szerokości. Ogniwa typu 2BB miały elektrody o szerokości 2 mm, następnie szerokość wynosiła 1,5 mm aby zatrzymać się na poziomie 0,8 mm dla ogniw 5BB. Obecnie ogniwa 5BB mogą mieć elektrody bus bar o szerokości 0,5 mm. Jednocześnie producenci nie zaprzestali starań aby tak zmienić geometrię elektrody przyłączeniowej aby zredukować ilość potrzebnego srebra do jej wydruku. Poniżej przedstawiamy kilka ciekawych koncepcji na zmniejszenie pola powierzchni elektrod przyłączeniowych a tym samym na redukcję konsumpcji srebra. 

Jednym z pierwszych pomysłów było  drukowanie końców elektrod przyłączeniowych tak aby znajdowały się tam przerwy (puste obszary) (rys. 6). 

Rys.6. Pozioma elektroda przyłączeniowa ogniwa PV z widocznymi przerwami na końcach

Kolejną popularną modyfikacją, wprowadzoną przez wielu producentów ogniw, było drukowanie elektrod bus bar w taki sposób, że na ich powierzchni umieszczone były „puste” prostokąty (rys. 7).

Rys. 7. Pozioma elektroda przyłączeniowa ogniwa PV z widocznymi przerwami („pustymi’ prostokątami) na jej powierzchni 

Kolejną modyfikacją tej koncepcji było zaprojektowanie elektrody z fragmentami w postaci „pełnych” i „pustych”  prostokątów w taki sposób, że dodatkowo w miejscach gdzie prostokąt tworzący elektrodę był wypełniony pastą dodano jeszcze mniejsze prostokąty (rys. 8). 

Rys. 8. Pozioma elektroda przyłączeniowa ogniwa PV z widocznymi przerwami w postaci prostokątów

Elektrody zaprezentowane na rysunkach od 6 do 8 stosowane są w ogniwach w których do lutowania używa się taśm miedzianych o przekroju prostokątnym. Dalsze zwiększanie ilości elektrod przyłączeniowych w ogniwach spowodowało znaczny spadek ich szerokości do około 0,3 mm. To z kolei spowodowało konieczność zamiany taśm połączeniowych na druty. 

Elektrodę przyłączeniową ogniwa typu 10BB pokazano na rysunku 9. W typ przypadku nie ma możliwości stosowania naprzemiennie prostokątów. Dodano jedynie pola w postaci niewielkich kwadratów,  które umożliwia prawidłowe łączenie drutu z elektrodą w procesie lutowania. 

Rys. 8. Pozioma elektroda przyłączeniowa ogniwa PV typu 10BB z widocznymi polami lutowniczymi o kształcie kwadratu

Wszystkie zaprezentowane modyfikacje geometrii elektrod zbierających pokazują,  iż producenci w poszukiwaniu oszczędności w zużyciu srebra dopracowują każdy najmniejszy nawet element ogniwa PV. 

W artykule wykorzystano zdjęcia własne autora oraz dane z artykułów i raportów:

1. International Energy Agency (IEA) REPORT Snapshot of Global PV Markets PVPS T1-44: 2023
2. Brett Hallam, Moonyong Kim, Yuchao Zhang, Li Wang, Alison Lennon, Pierre Verlinden, Pietro P. Altermatt, Pablo R. Dias, “The silver learning curve for photovoltaics and projected silver demand for net-zero emissions by 2050”, Prog Photovolt Res Appl. 2022;1–9
3. “International Technology Roadmap for Photovoltaic (ITRPV)”, 2022 Results 14. Edition,
   April 2023