Czy zwykły krzem może podbić kosmos? Naukowcy chcą obniżyć koszty satelitów
Krzemowe ogniwa PV, które od lat dominują w naziemnej fotowoltaice, mogą znaleźć szersze zastosowanie także na orbicie. Fraunhofer ISE i amerykańska firma Source Energy opracowały krzemowe moduły PV dla satelitów, które mają być tańszą i szybciej dostępną alternatywą dla rozwiązań opartych na półprzewodnikach III-V.
To właśnie ogniwa III-V są obecnie standardem w wielu zastosowaniach kosmicznych. Wyróżniają się wysoką sprawnością i odpornością na promieniowanie, ale są kosztowne w produkcji i mają ograniczoną dostępność. Według Fraunhofer ISE staje się to coraz większym problemem dla komercyjnych misji satelitarnych, szczególnie w segmencie satelitów pracujących na niskiej orbicie okołoziemskiej.
Należy podkreślić, że nowe moduły opracowane wspólnie przez Fraunhofer ISE i Source Energy bazują na konwencjonalnych krzemowych ogniwach słonecznych. Kluczowe znaczenie ma jednak sposób ich połączenia. Zastosowano technologię shingle-matrix, w której ogniwa są cięte na wąskie paski, a następnie układane częściowo na zakładkę w strukturze przypominającej układanie dachówek. Połączenia elektryczne wykonuje się przy użyciu dedykowanego przewodzącego kleju nanoszonego w niskiej temperaturze.
Niższy koszt i krótszy czas dostawy
Source Energy deklaruje, że dzięki zautomatyzowanemu procesowi produkcji może wytwarzać moduły za mniej niż 5 dol,/Wat (ok. 19 zł/Wat). Firma zapowiada również skrócenie czasu dostawy do mniej niż sześciu miesięcy od zamówienia, co ma być przewagą wobec typowych rozwiązań kosmicznych opartych na technologii III-V.
Proces produkcyjny wykorzystuje urządzenia niemieckiej firmy M10 Solar Equipment. Linia została wcześniej rozwijana w ośrodku Fraunhofer ISE Module-TEC we Freiburgu, a od czerwca działa w zakładzie Source Energy w stanie Kolorado. To pokazuje przejście od prototypowania w ośrodku badawczym do uruchamiania własnych możliwości produkcyjnych po stronie Source Energy.
Architektura odporna na skutki lokalnych uszkodzeń
Według Najwy Abdel Latif, przedstawicielki kierującej projektem po stronie Fraunhofer ISE, architektura shingle-matrix ma trzy istotne zalety w zastosowaniach kosmicznych. Po pierwsze, zwiększa odporność układu elektrycznego na skutki lokalnych uszkodzeń spowodowanych np. przez mikrometeoryty lub kosmiczne śmieci. Jeśli fragment modułu zostanie uszkodzony, prąd może ominąć dotknięty obszar, ograniczając straty generacji. Po drugie, układ pasków można dostosować do różnych wymagań napięciowych i prądowych konkretnego satelity. Po trzecie, technologia ma być tolerancyjna na duże wahania temperatury, charakterystyczne dla pracy na orbicie. W tym miejscu można by dodać jeszcze jeden argument, a mianowicie taki, że technologia ta nie jest nowa i z sukcesem rozwijali ją w przeszłości producenci modułów PV tacy jak Maxeon czy Hyundai.
Fraunhofer ISE wskazuje również, że metoda połączeń może być stosowana z różnymi typami krzemowych ogniw waflowych, w tym PERC i HJT, bez konieczności przebudowy linii produkcyjnej. W przyszłości podobny proces niskotemperaturowy mógłby być wykorzystany także przy tandemach perowskitowo-krzemowych.
Parametry prototypów
Na bazie informacji dostępnych na PV Magazine wiemy, że prototypowe moduły mają wymiary 321 × 209 mm, powierzchnię 629 cm² i masę 64 g. Ich średnia moc wyniosła 15,6 W, a najlepsze egzemplarze osiągnęły 16,1 W. Średnia sprawność modułów to 18,8 proc. w warunkach AM0 przy temperaturze 25 st. C, czyli w standardzie stosowanym do charakteryzowania urządzeń przeznaczonych do pracy poza atmosferą ziemską. Moduły przeszły także testy kwalifikacyjne prowadzone przez Source Energy, w tym próby odporności na duże zmiany temperatury. Wyniki mają wskazywać, że po siedmiu latach pracy w kosmosie moduły powinny zachować około 76 proc. pierwotnej mocy.
Fraunhofer ISE przedstawia projekt jako przykład przenoszenia rozwiązań znanych z naziemnej fotowoltaiki do sektora kosmicznego. Zdaje się, że na chwilę obecną wcale nie chodzi o zastąpienie technologii III-V w każdej misji, ale o stworzenie tańszej i szybciej dostępnej opcji dla tych zastosowań satelitarnych, w których koszt, czas dostawy i skalowalność produkcji są równie ważne jak maksymalna sprawność ogniw.
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
