Naukowcy z Polski i Singapuru obniżyli grubość ogniw PV, zachowując wysoką sprawność
Najnowsze badania naukowców z Polski i z Singapuru pokazują, że dalsze obniżanie grubości i wagi tradycyjnych ogniw fotowoltaicznych z krzemu może być możliwe bez drastycznego pogorszenia parametrów pracy.
Rosnąca presja na ograniczanie kosztów materiałowych sprawia, że producenci fotowoltaiki coraz częściej szukają sposobów na zmniejszenie zużycia krzemu bez istotnego pogarszania parametrów ogniw. Międzynarodowy zespół badaczy pokazał właśnie, że możliwe jest stworzenie ultracienkiego ogniwa TOPCon o grubości zaledwie 80 mikrometrów (μm), które zachowuje sprawność bliską 20 proc.
Naukowcy z National University of Singapore (NUS), Solar Energy Research Institute of Singapore (SERIS) oraz Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie opracowali ultracienkie krzemowe ogniwo słoneczne wykorzystujące architekturę biPoly TOPCon. Zastosowana konstrukcja pozwoliła osiągnąć sprawność konwersji energii na poziomie 19,7 proc. przy grubości wafla wynoszącej zaledwie 80 μm. Dla porównania, współczesna produkcja ogniw TOPCon opiera się najczęściej na waflach krzemowych o grubości około 120 – 160 μm. Oznacza to, że badacze zeszli do poziomu znacząco niższego niż obecny standard przemysłowy, jednocześnie utrzymując relatywnie wysokie parametry pracy urządzenia.
Jak ograniczyć grubość krzemu bez utraty wydajności?
Jednym z największych wyzwań przy dalszej redukcji grubości wafli krzemowych, które przemysł PV wykorzystuje do produkcji ogniw fotowoltaicznych, jest rosnąca podatność na straty rekombinacyjne oraz pogarszanie parametrów elektrycznych ogniwa. Cieńszy krzem oznacza również większą kruchość mechaniczną, co utrudnia proces produkcyjny.
Aby ograniczyć te problemy, badacze wykorzystali architekturę biPoly TOPCon, w której pasywowane kontakty polisilikonowe znajdują się po obu stronach ogniwa. Kluczową innowacją było jednak zastosowanie selektywnego przedniego kontaktu n-TOPCon. Warstwa polisilikonu została pozostawiona wyłącznie pod metalowymi ścieżkami przewodzącymi (busbarami), zamiast pokrywać całą powierzchnię ogniwa. Takie rozwiązanie pozwala ograniczyć niepożądaną, zwiększając ilość promieniowania docierającego do warstwy krzemowej. Jednocześnie zachowane zostają korzyści związane z pasywacją powierzchni oraz ograniczaniem strat rekombinacyjnych.
Dodatkowo naukowcy zastosowali zoptymalizowaną obróbkę termiczną warstw polisilikonowych, która poprawiła aktywację domieszek i jakość interfejsów materiałowych. Według autorów badania proces ten odegrał istotną rolę w ograniczeniu strat rekombinacyjnych i utrzymaniu wysokich parametrów elektrycznych ultracienkiego ogniwa.
Elastyczne ogniwo krzemowe
Jednym z najbardziej interesujących rezultatów badania okazała się mechaniczna elastyczność uzyskanych struktur. Autorzy podkreślają, że ogniwa o grubości 80 μm zachowywały integralność mechaniczną podczas zginania do niewielkich promieni, co wskazuje na potencjał wykorzystania ich w lekkich i niestandardowych zastosowaniach fotowoltaicznych. Badacze zwracają uwagę, że masa ogniwa przypadająca na jednostkę powierzchni jest w przybliżeniu proporcjonalna do grubości wykorzystanego krzemu.
Z tego względu obliczyli również współczynnik sprawności względem grubości ogniwa, osiągając wynik 0,25 proc. na mikrometr. Według autorów jest to jeden z najwyższych raportowanych rezultatów dla ogniw TOPCon o porównywalnej grubości.
To wciąż etap laboratoryjny
Mimo obiecujących rezultatów technologia pozostaje na etapie badań laboratoryjnych. Sam proces produkcyjny pokazał skalę wyzwań związanych z ultracienkimi waflami spośród wykonanych struktur jedynie sześć ogniw przetrwało pełną sekwencję procesów technologicznych. Autorzy wskazują również, że dalsze prace powinny koncentrować się na poprawie rezystancji kontaktów, stabilności termicznej oraz odporności ogniw na wielokrotne cykle zginania.
Dopiero rozwiązanie tych problemów pozwoli ocenić, czy ultracienkie ogniwa biPoly TOPCon będą mogły przejść drogę od laboratoryjnych demonstratorów do praktycznych zastosowań w lekkich modułach fotowoltaicznych, systemach BIPV czy innych konstrukcjach wymagających wysokiej mocy przy możliwie niskiej masie.
Więcej na temat pracy naukowców można przeczytać w artykule “Ultra-Thin Bipoly Solar Cells With Front Selective n-Type TOPCon and Rear Blanket p-Type TOPCon Layers” opublikowanym w czasopiśmie Progress in Photovoltaics.
Radosław Błoński
redakcja@gramwzielone.pl
© Materiał chroniony prawem autorskim. Wszelkie prawa zastrzeżone. Dalsze rozpowszechnianie artykułu tylko za zgodą wydawcy E-Magazyny Sp. z o.o.
