Moduły PV zbudowane są z szeregowo połączonych ogniw fotowoltaicznych. Dotyczy to zarówno modułów zbudowanych na bazie pełnowymiarowych ogniw o kształcie kwadratu, jak i modułów zbudowanych na bazie ogniw, które podzielono na połówki (tak zwane ogniwa half cut). Z tego powodu pomiędzy ogniwami musi znajdować się przerwa (odstęp), która pozwala na przejście połączeń elektrycznych (tak zwanych ribbons) z przedniej strony pierwszego ogniwa na stronę drugą drugiego ogniwa. Niestety jak dotychczas, obszar ten jest nieaktywny, a energia padającą na jego powierzchnię jest tracona. 

W stosowanych aktualnie technologiach sposobem na minimalizację strat związanych z nieaktywną powierzchnią modułu było zmniejszanie odległości pomiędzy ogniwami albo odległości od krawędzi ogniwa do krawędzi szkła zabezpieczającego. To niestety może prowadzić do zbyt dużych naprężeń na krawędzi ogniw, a to z kolei może stanowić źródło mikropęknięć ogniw. Istnieją także moduły typu shingled, w których brak jest przerw pomiędzy ogniwami (pozostają tylko obszary pomiędzy szeregami oraz obszar przy ramie). Jednak jest to technologia niszowa i dopiero rozwijana. 

Od niedawna w IMIM PAN oraz firmie Helioenergia prowadzone są badania nad innowacyjnym sposobem wykorzystania części energii słonecznej, jaka pada na nieaktywny obszar modułu PV.

Doktorat wdrożeniowy – kolejne badania w obszarze fotowoltaiki 

Prace realizowane są w ramach programu doktorat wdrożeniowy. Do programu tego przystąpił również Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN w Krakowie. To już drugi doktorat realizowany w IMIM PAN w obszarze fotowoltaiki. Pierwszy został już obroniony  (więcej w artykule: „Moduły z luminescencyjnym koncentratorem energii dla instalacji agrowoltaicznych”). Obecnie, uczestnik studiów doktoranckich - Pan Olgierd Jeremiasz,  prowadzi badania nad wykorzystaniem nieaktywnej powierzchni modułów PV. Podobnie jak poprzednio prace prowadzone są w Laboratorium Fotowoltaicznym w Kozach koło Bielska Białej oraz w laboratoriach firmy Helioenergia. 

Powierzchnia nieaktywna w typowym module PV

Odstęp, jaki występuje pomiędzy poszczególnymi ogniwami fotowoltaicznymi w typowym module PV wynosi najczęściej od 2,5 do 1,5 mm. Ogniw w module jest 60, co daje sumaryczną powierzchnię odstępów na poziomie 170 cm2. Do tego dochodzą przerwy pomiędzy poszczególnymi szeregami ogniw, których powierzchnia to 300 cm2 a powierzchnia pomiędzy ogniwami a ramą to 780 cm2. W sumie w typowym module fotowoltaicznym powierzchnia nieaktywna (bez ogniw) to 1250 cm2. Biorąc pod uwagę, że cały moduł PV ma powierzchnię 25 600 cm2 niewykorzystana powierzchnia to tylko 4,9 %. Ze względu na ciągłe dążenie do podnoszenia sprawności konwersji modułów można zaryzykować stwierdzenie, że to aż 4,9%. Warto podkreślić, że to wartość minimalna, a trend budowy modułów z ogniw połówkowych (half- cut) zwiększa udział części nieaktywnych modułu nawet do 9,5%.  

Zwiększenie wydajności modułu PV poprzez efektywne wykorzystanie przestrzeni międzyogniwowej

Prowadzone innowacyjne oraz intensywne badania mają na celu opracowanie modelu teoretycznego a następnie takiej technologii, która pozwoli na zbudowanie prototypu  selektywnego lustra, które skieruje część promieniowania słonecznego na powierzchnię aktywną ogniw PV.  

W ujęciu bardziej szczegółowym prace mają na celu zwiększenie wydajności modułu poprzez skierowanie części promieniowania padającego na obszary nieaktywne w kierunku powierzchni ogniw fotowoltaicznych. W tym celu w obszarach nieaktywnych zostanie wytworzony rodzaj lustra, którego powierzchnia to struktura piłokształtna wytworzona na przedniej szybie zabezpieczającej. Padające promieniowanie (kolor czerwony) zostanie skierowane do powierzchni ogniw. Wykorzystane zostanie zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia na granicy ośrodków szkło-powietrze. Schemat proponowanego rozwiązania pokazano na rysunku 1. 

Rys. 1. Modyfikacja nieaktywnej przestrzeni międzyogniwowej poprzez wytworzenie struktury piłokształtnej na przedniej szybie zabezpieczającej w module PV

Układ taki jest szczególnie dedykowany do zastosowania w modułach zbudowanych w oparciu o ogniwa bi-facial (posiadających obie strony aktywne). Ogniwa bi-facial mogą dokonywać konwersji energii słonecznej zarówno gdy ta pada na ich powierzchnię przednią jak i tylną. W układzie takim konieczne jest zastosowanie szkła także na tylnej stornie modułu. 

Etapy wytwarzania dedykowanego lustra

Pierwszym najważniejszym problemem - rozwiązanym w ramach opisanego powyżej doktoratu wdrożeniowego- było zbudowanie modelu matematycznego, który pozwalałby na określenie, czy taka struktura może działać a jeśli tak, to jakie powinna mieć parametry geometryczne (rys.2.). W toku prowadzonych badań udało się taki model opracować. 

Rys. 2. Pierwsze przykładowe założenia do modelu matematycznego

W oparciu o przyjęty model wyliczono optymalny kąt, pod jakim powinny się znajdować powierzchnie struktury piłokształtnej. Uzyskane wyniki były bazą dla pierwszych prac technologicznych. Mając na względzie przyszłe wdrożenie do produkcji do wykonania struktury piłokształtnej zastosowano laser CO2. Tę samą technikę wykorzystano do wytworzenia powierzchni odbijającej światło. Użyto metody osadzania metalu laserem impulsowym z wykorzystaniem ablacji laserowej (PLD – Pulsed Laser Deposition). Wykorzystano przy tym fakt, że materiał obrabiany jest przezroczysty (szkło) dla promieniowania laserowego. Z racji koniecznej selektywności oraz ekonomii procesu wykorzystano specyficzną odmianę PLD - metody transferu indukowanego laserem tj. – druku laserowego. 

Pierwsze wyniki 

Pierwsze wyniki są obiecujące (więcej w artykule: „Nowe możliwości wykorzystania nieaktywnej powierzchni modułów PV – cz. 2.”). Udało się rozwiązać szereg problemów, a co najważniejsze w sposób powtarzalny wykonać strukturę o założonych (na podstawie modelu) parametrach geometrycznych. Obecnie prowadzone są prace eksperymentalne nad poprawą jakości powłoki metalicznej na szkle. Największym zaś wyzwaniem badawczym jest zachowanie odpowiedniej wytrzymałości szyby zabezpieczającej, na powierzchni której wykonano strukturę piłokształtną. 

---

W artykule wykorzystano materiały z badań Olgierda Jeremiasza prowadzonych w ramach programu Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego pt. „Doktorat wdrożeniowy” – II edycja.