W ostatnich latach nastąpił gwałtowny wzrost zainteresowania przezroczystą (TPV – ang. transparent photovoltaics) i półprzezroczystą (sTPV – ang. semi-transparent photovoltaics) fotowoltaiką, ponieważ tradycyjne, nieprzejrzyste urządzenia nie nadają się do wielu innowacyjnych zastosowań, takich jak okna budynków lub pojazdów. Dodatkowe wymagania dla tych aplikacji to wysoka sprawność konwersji, wymagająca kompromisu w celu osiągnięcia pożądanego stopnia przezroczystości oraz estetyczny wygląd [M. Pompilio, et al., Molecules, 2023, 28, 180].

Ogromny wzrost produkcji ogniw i modułów PV na świecie może w najbliższym czasie zostać znacząco ograniczony z powodu problemu związanego z dostępnością srebra, które jest konieczne do produkcji najpopularniejszych ogniw PV. Więcej w artykule Dlaczego srebro jest potrzebne przy produkcji ogniwa PV?

Rozwiązaniem może być, albo znaczące ograniczenie konsumpcji srebra, albo zastąpienie go innym metalem. Najczęściej wymienianym kandydatem jest miedź. Niestety, oprócz wielu zalet takich jak cena i dostępność, ma ona jedną zasadniczą wadę a mianowicie może dyfundować do krzemu, co prowadzi do znaczącej degradacji parametrów ogniwa PV. Więcej w artykułach: Czy miedź zastąpi srebro przy produkcji przedniej elektrody ogniwa PV? cz. 1 oraz Czy miedź zastąpi srebro przy produkcji przedniej elektrody ogniwa PV? cz. 2.

Opisywane problemy są znane od dłuższego czasu. Zwracali na nie uwagę naukowcy z Instytutu Fraunhofera w Niemczech. W wyniku prowadzonych badań opracowali proces galwanizacji, który polega na zastąpieniu srebra właśnie miedzią. Ponadto udało im się również zastąpić polimery, które zwykle pozostają po procesach powlekania galwanicznego, a których utylizacja jest kosztowna, poprzez użycie do maskowania aluminium. Uzyskane wyniki są tak obiecujące, że aby szybciej wprowadzić opracowaną technologię do masowej produkcji założono spółkę typu spin-off o nazwie PV2+ [1].

W wywiadzie dla czasopisma PV Magazin, dyrektor techniczny PV2+ Thibaud Hatt udzielił kilku informacji na temat opracowanego procesu osadzania miedzi [2]. Okazuje się, że podczas wytwarzania elektrody na powierzchni pytki krzemowej - która jest bazą dla przyszłego ogniwa PV - zarówno warstwę zarodkową (seed layer), jak i warstwę maskującą, wykonuje się w procesie osadzania z fazy gazowej zwanego jako PVD (Physical Vapor Deposition). Fizyczne osadzanie z fazy gazowej to osadzanie powłoki, przy którym zachodzą zjawiska fizyczne, a nie zachodzą reakcje chemiczne. Pojęcie obejmuje różne metody wytwarzania cienkich warstw przez kondensację pary osadzanego gazu na materiale. Najczęściej mechanizm tworzenia powłoki opiera się na krystalizacji. Proces ten musi być prowadzony w warunkach wysokiej próżni. To powoduje, że osadzona warstwa i jej jakość zależy, między innymi, od czystości podłoża. Ponadto mechanizm osadzania kontrolowany jest przede wszystkim przez dobór temperatury podłoża oraz ciśnienia i składu atmosfery reakcyjnej. Z punktu widzenia technologii wytwarzania ogniw słonecznych implikuje to dwa problemy. Pierwszy, konieczność stosowania aparatury próżniowej, która jest kosztowna a jej przepustowość może być mniejsza niż procesu sitodruku. Drugim są wysokie wymagania co do czystości płytek krzemowych. Zaletą natomiast jest fakt, iż oba etapy odbywają się w próżni a to pozwala na ustawienie ich w jednej linii na produkcji bez konieczności wyciągania płytek z próżni aby ponownie je w niej umieścić.  

Podano już, że firma PV2+ będzie wykorzystywała urządzenia technologiczne dostarczone przez niemieckich producentów narzędzi, w tym firm Von Ardenne lub Singulus. Obecnie prowadzone są badania nad procesem obróbki laserowej, który poprzedza końcowy proces osadzania miedzi. Ogromnym sukcesem jest to, że szerokość pojedynczej ścieżki elektrody przedniej wytworzonej w opracowanym procesie to tylko 19 mikrometrów (rys. 1).

Trójwymiarowy obraz z mikroskopii konfokalnej

Rys. 1. Trójwymiarowy obraz z mikroskopii konfokalnej miedzianej ścieżki elektrody wytworzonej
za pomocą procesu wspomaganego laserem opracowanego przez PV2+[3].

Dla porównania obecnie typowa szerokość ścieżek wytwarzanych metodami sitodruku oscyluje od 30 do 50 mikrometrów. Ponadto dzięki zastosowaniu aluminiowej maski o grubości nanometra można ją wytrawić po całym procesie i poddać recyklingowi a jest to wyraźna przewaga nad maskami polimerowymi. W publikacji dotyczącej osiągnięć Fraunhofer ISE [3], zawarto informacje, iż dużym wyzwaniem było dostosowanie parametrów procesu
i opracowanie specjalnego elektrolitu.

Drugą firmą, która prowadzi zaawansowane badania nad techniką osadzania miedzi celem wyeliminowania srebra z elektrod ogniwa PV jest SunDrive z siedzibą w Sydney. Także ona ma ogromne osiągnięcia w obszarze wykonywania ogniw z elektrodą na bazie miedzi. Pod koniec 2022 roku zaprezentowała pierwsze pełnowymiarowe (M6) ogniwo w technologii HJT z elektrodami na bazie miedzi.

Inżynier SunDrive

Rys. 2. Inżynier SunDrive podczas badania ścieżek ogniwa wykonanych z użyciem miedzi [4,5].

Wracając do pytania postawionego w tytule, czy miedź zastąpi srebro przy produkcji przedniej elektrody ogniwa PV? Odpowiedź nie jest wcale taka prosta. Osiągnięcia obu przedstawionych firm są imponujące. Obie zapowiedziały komercjalizację swoich procesów w 2023 roku, obie pozyskały znaczące środki na ten cel. PV2+ zamierza założyć pilotażowy zakład produkcyjny wraz z partnerami przemysłowymi. Należy pamiętać jednak, że wprowadzanie każdej nowej technologii do masowej produkcji może zając kilka a nawet kilkanaście lat.

Oba startupy otrzymały znaczne wsparcie ze środków publicznych. PV2+ z siedzibą we Fryburgu, zakończyło wydzielenie z Fraunhofer ISE w połowie 2022 r. i jest finansowane przez niemieckie Federalne Ministerstwo Gospodarki i Działań na rzecz Klimatu (BMWK). SunDrive z siedzibą w Sydney otrzymał wsparcie australijskiego organu zajmującego się komercjalizacją nauki CSIRO oraz Clean Energy Finance Corporation. SunDrive rozpoczął swoją komercjalizację przed PV2+ i wraz z organami publicznymi uzyskał także wsparcie prywatnych inwestorów.

1. https://pv2plus.com/

2. https://www.pv-magazine-australia.com/2022/12/17/weekend-read-plating-up/

3. Research News, September 01, 2022, Out with the silver, in with the copper: A new boost for solar cell production, https://www.fraunhofer.de/en/press/research-news/2022/september-2022/out-with-the-silver-in-with-the-copper-a-new-boost-for-solar-cells.html

4. JONATHAN GIFFORD, Plating up, , PV Magazine, ISSUE 12 – 2022 DECEMBER 8, 2022, https://www.pv-magazine.com/magazine-archive/plating-up/

5. https://www.sundrivesolar.com/news

Konwencjonalne metody stosowane do szacowania wydajności systemów PV stoją przed istotnymi wyzwaniami, podczas gdy w dziedzinie informatyki i statystyki dokonał się szybki postęp. Dlatego w ostatnich latach zastosowanie uczenia maszynowego stało się powszechne zarówno w projektowaniu, jak i eksploatacji infrastruktury fotowoltaicznej.