Moduły fotowoltaiczne z roku na rok mają coraz większą moc. Z jednej strony wynika to z faktu, że stosuje się do ich produkcji coraz większe ogniwa lub umieszcza się ich więcej w jednym module.

Z drugiej strony ogniwa stosowane w modułach mają coraz wyższą sprawność konwersji energii, a co za tym idzie coraz wyższą moc. Moc jest zresztą obok ceny jednym z najważniejszych kryteriów wyboru produktu do budowy instalacji fotowoltaicznej. Na temat tego, jak duże moduły będą na rynku, można przeczytać w artykule: „Największe moduły PV na rynku – kierunki rozwoju”. Większą moc modułu można także stosując najnowsze rodzaje ogniw. 

Na rynku dominują ogniwa wykonane w technologii PERC obecne są także te wykonane w technologii back contact i heterojunction. Która z technologii jest najbardziej przyszłościowa? Czy rozwijane są inne technologie wysoko sprawnych ogniw? 

Aby odpowiedzieć na powyższe pytania warto prześledzić rozwój ogniw oraz zapoznać się z tym, co oferuje każda z wymienionych technologii. 

Najprostsze ogniwo zbudowane na bazie krzemu krystalicznego to takie, które posiada w swej strukturze dwa obszary o odmiennym typie przewodnictwa (n i p) oraz przednią i tylną elektrodę przyłączeniową. Aby zwiększyć sprawność takiego ogniwa należy ograniczyć odbicie światła od jego powierzchni. W tym celu teksturyzuje się jego powierzchnię oraz wytwarza warstwę przeciwodbiciową. Pierwsze szeroko dostępne moduły PV zbudowane były z takich właśnie ogniw, przy czym dodano jeszcze jedną warstwę, a mianowicie obszar o typie przewodnictwa p+ na tylnej stronie ogniwa. Ten typ określa się często jako BSF cell (rys. 1). Nazwa to skrót od obszaru jaki znajduje się w takim ogniwie tj. Back Surface Field. 

Rys. 1. Struktura typowego jednozłączowego krystalicznego krzemowego ogniwa fotowoltaicznego (przekrój poprzeczny)

Najogólniej rzecz ujmując, obszar o przewodnictwie p+ wspomaga transport nośników w kierunku złącza, co podnosi sprawność ogniwa. Ogniwa takie osiągały początkowo sprawność na poziomie 15%, aby wraz z doskonaleniem technologii zwiększyć ją do około 18%. Największą przeszkodą, aby uzyskać jeszcze większe sprawności konwersji w takim ogniwie, jest stosunkowo wysoka rekombinacja zarówno w obszarze przedniej, jak i tylnej powierzchni ogniwa. 

Pomysły na ograniczenie rekombinacji spowodowały rozwój innych ogniw PV o wyższej sprawności. Pierwszym i najczęściej spotykanym ogniwem jest to, które określane jest skrótem PERC (ang. Passivated Emitter and Rear Cell). Najczęściej wyróżnia się cztery następujące rodzaje struktur należących do rodziny PERC [1]: 

(A) ogniwa typu PERD (ang. Passivated Emitter, Rear Directly-Contacted)

(B) ogniwa typu PERL (ang. Passivated Emitter, Rear Locally Doped)

(C) ogniwa typu PERT (ang. Passivated Emitter, Rear Totally-Diffused)

(D) ogniwa typu PERF (ang. Passivated Emitter, Rear Floating-Junction)

Wszystkie przedstawiono na rysunku 2. 

Rys. 2. Schemat budowy ogniw krzemowych z rodziny PERC (A) PERD, (B) PERL (C) PERT (D) PERF, źródło [1]

W każdym z prezentowanych rodzajów ogniw krzemowych szczególny nacisk położono na pasywację tylnej i przedniej powierzchni. Uzyskano to poprzez zastosowanie warstw pasywujących po obu stronach ogniwa oraz poprzez ograniczenie poziomu domieszkowania na powierzchni przedniej. Pomimo widocznych różnic w budowie przedstawionych ogniw, ich elementem niezmiennym jest przednia i tylna elektroda. 

Ogniwa typu HJT

Kolejnym rodzajem ogniw na bazie krzemu krystalicznego, które są obecnie produkowane i uzyskują wysokie sprawności to ogniwa typu HJT (ang. Heterojunction Technology) [2,3,4]. Zmiany struktury ogniwa w stosunku do ogniw klasycznych czy rodziny PERC są znacznie większe. Materiałem bazowym jest wysokiej jakości krzem typu n, a warstwę pasywującą na przedniej i tylnej powierzchni wykonuje się z krzemu amorficznego. Pomimo tak odmiennej struktury, podobnie jak w klasycznych ogniwach krzemowych oraz ogniwach z rodziny PERC, przednia elektroda wykonywana jest najczęściej z użyciem technik grubowarstwowych. Natomiast elektroda tylna wykonywana jest technikami cienkowarstwowymi, na przykład techniką PVD (ang. Physical Vapor Deposition). Strukturę ogniwa typu HJT pokazano na rysunku 3. 

Rys. 3. Schemat budowy ogniwa HJT [3,4]

Ostatnim rodzajem wysokosprawnego ogniwa produkowanego obecnie na masową skalę jest ogniwo z kontaktem tylnym BC (ang. Back Contact) [5,6]. Ogniwa te, podobnie jak ogniwa HJT, są wytwarzane na bazie wysokiej jakości krzemu typu n. Największą modyfikacją w stosunku do klasycznego ogniwa słonecznego jest brak elektrody przedniej. Dzięki temu rekombinację powierzchniową na przedniej stronie ogniwa zredukowano do minimum. Obie elektrody (dodatnia i ujemna) znajdują się na tylnej stronie ogniwa (rys. 4). 

Rys. 4. Schemat budowy ogniwa typu BC [5]

Perspektywy rozwoju 

Każda z wymienionych technologii pozwala na wytworzenie wysokosprawnych krzemowych ogniw fotowoltaicznych. Każda z tych technologii ma potencjał aby stać się dominującą na rynku. Jednak nie wszystkie oferują łatwe przestawienie procesu produkcji z typowego ogniwa BSF. Autorzy najnowszego raportu ITRPV przedstawiają analizę, z której wynika że ogniwa typu BSF nie będą już dłużej produkowane. W najbliższych 10 latach dominować będzie technologia PERC [7].

Rys. 5. Procentowy udział w runku ogniw PV wykonanych w różnych technologiach. Źródło ITRPPV2022 [7]

Analiza pokazuj także, iż pojawią się na rynku ogniwa tandemowe (więcej w artykule: ”Tandemowe ogniwa słoneczne – podstawy, zasada działania, perspektywy”). Ciekawostką jest to, że do ogniw z rodziny PERC dołączyło ogniwo TOPCon. Więcej o tym rodzaju ogniw napiszemy w najbliższym czasie. 

1. Green M.A., 2015. The Passivated Emitter and Rear Cell (PERC): From conception to mass production. Solar Energy Materials & Solar Cells, 143, pp. 190-197.
2. Tsunomura Y., Yoshimine Y., Taguchi M., Baba T., Kinoshita T., Kanno H., Sakata H., Maruyama E., Tanaka M., 2009. Twenty-two percent efficiency HIT solar cell. Solar Energy Materials and Solar Cells, 93, pp. 670-673.
3. Mishima T., Taguchi M., Sakata H., Maruyama E., 2011. Development status of high-efficiency HIT solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells, 95, pp. 18-21.
4. Roters G., Krause J., Leu S., Richter A., Strah B., 2016. Heterojunction technology the solar cell of the future. Meyer Burger Technology Ltd.
5. Granek F., Hermle M., Reichel C., Schultz-Wittm O., Gluntz S.W., 2008. High-efficiency back-contact back-junction silicon solar cell research at Fraunhofer ISE. Conference: 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference, Valencia, pp. 991-995.
6. Granek F., Reichel C., 2009. Stability of front surface passivation of back-contact back-junction silicon solar cells under UV illumination. Solar Energy Materials and Solar Cells, 94(10), pp:1734-1740.
7. Raport ITRPV – International Technology Roadmap for Phtovoltaic (ITRPV) 13 edycja, marzec 2022, www.itrpv.org