Kliknij tutaj >> 🎱 Płytki Krzemowe Do Ogniw Słonecznych

Krzemowe warstwy funkcjonalne na ogniwa słoneczne. Authors. Piotr. Boszkowicz; Publication date 2013. Publisher budowa i działanie ogniw słonecznych Co jest bardzo słabym wynikiem w porównaniu do standardowych krzemowych ogniw słonecznych ale efekt ten jest osiągnięty za pomocą materiału tysiąc razy cieńszego. Dwuwarstwowe ogniwo słoneczne posiada grubość zaledwie 1 nanometra podczas gdy ogniwa krzemowe są setki tysięcy razy grubsze. Już w 2021 roku całkowita zainstalowana ilość modułów PV w Niemczech wyniosła około 5 mln ton, przy czym zawartość krzemu wyniosła 150 tys. ton. Jako materiał półprzewodnikowy, krzem jest głównym składnikiem ogniw słonecznych. Ogniwo PERC stworzone z krzemu uzyskane w 100 proc. z recyklingu, fot. Instytut Fraunhofera. Tłumaczenia w kontekście hasła "solar wafers" z angielskiego na polski od Reverso Context: SW group produces solar wafers, solar cells and solar modules with the exception of solar systems [4]. Konektory: 4.0 mm², 250mm (+)/350mm (-) lub długość niestandardowa. Rama: czarna. Moc: 440 Wp. Sprawność: 20,24%. Pobierz kartę produktu. Złóż u mnie zamówienie telefoniczne: 519615665. Panel fotowoltaiczny Seraphim 440 BMA-HV (czarna rama). Moc 440 Wp. Sprawność pow. 20%. 15 lat gwarancji na produkt, 25 lat na moc. Dịch Vụ Hỗ Trợ Vay Tiền Nhanh 1s. Piątek, 10 września 2021 | Fotowoltaika Decydując się na montaż systemu fotowoltaicznego stajemy przed koniecznością wyboru nie tylko wykonawcy, ale też technologii, w jakiej wykonane ogniwa zastosujemy. I o ile czasem wybór instalatora mocno ogranicza typ ogniw, z jakimi pracuje, warto z wyprzedzeniem wiedzieć jakie są pomiędzy nimi różnice, by dobrać taką technologię, jaka nam najbardziej odpowiada. Niewątpliwie wiedza ta uchroni nas też przed błędami, albo przed wykonawcami, którzy będą nieco mijać się z prawdą, nadmiernie zachwalając swoje moduły. Podział ogniw wykorzystywanych w fotowoltaice Zasadniczo, mówiąc o panelach fotowoltaicznych, instalowanych, czy to na wielkopowierzchniowych farmach, czy też na dachach w ramach mikroinstalacji, mamy na myśli przede wszystkim ogniwa tzw. pierwszej generacji, a więc panele krzemowe. Wskazanie, że jest to pierwsza generacja, automatycznie nasuwa pytanie o generacje kolejne - i całkiem słusznie. Można już mówić o technologiach drugiej i trzeciej generacji, ale w praktyce, decydując się na wszelkiego rodzaju standardowe rozwiązania, będziemy zawsze sięgać po pierwszą generację. Nie oznacza to bynajmniej, że panele tego typu są gorsze. Wręcz przeciwnie, mają one wysoką wydajność, wynikającą z technologii rozwijanych od wielu lat. To właśnie wśród nich znajdziemy modele o najwyższych parametrach. Wbrew pozorom ogniwa nowszych generacji zazwyczaj wcale nie są bardziej skuteczne, ale za to mają inne zalety: są cieńsze; nierzadko tańsze w produkcji; można je instalować w zupełnie inny sposób, np. poprzez integrację z elewacją budynku lub dachem. Niestety, przy okazji zazwyczaj bywają mniej trwałe. Druga generacja to przede wszystkim ogniwa z krzemu amorficznego, a także ogniwa z arsenku galu, tellurku kadmu, mieszaniny miedzi, indu, galu i selenu, ogniwa wielozłączowe i inne konstrukcje cienkowarstwowe. Do ogniw nowej generacji (trzeciej lub czwartej, zależnie jak liczyć) zaliczają się opracowane i produkowane w Polsce ogniwa perowskitowe, które drukowane są na folii PET. Stanową cienkie, elastyczne, całkiem wydajne i lekkie rozwiązanie, które można instalować praktycznie gdziekolwiek, nawet np. w roli żaluzji słonecznych. Aktualnie są jednak instalowane dopiero głównie w ramach projektów pilotażowych Rodzaje ogniw pierwszej generacji Wśród ogniw pierwszej generacji należy przede wszystkim dokonać podziału na dwie podgrupy. Pierwsza z nich obejmuje ogniwa z krzemu monokrystalicznego - a więc droższe i bardziej wydajne. Druga grupa to ogniwa polikrystaliczne - mniej wydajne, ale też istotnie tańsze. Powód dla którego ogniwa monokrystaliczne są droższe jest bardzo prozaiczny - wymagają zastosowania dużych, jednolitych kryształów, pociętych do rozmiarów ogniwa. Budowa takich kryształów krzemu jest kosztowna, wymaga bardzo zaawansowanych metod i niezwykle precyzyjnego utrzymywania parametrów pracy maszyn produkcyjnych. Równomierna struktura krzemowych płytek podłożowych (nazwanych potocznie waflami) zapewnia idealne warunki do tworzenia struktur półprzewodnikowych i wychwytywania fotonów. To właśnie takie ogniwa latają w kosmos na satelitach i wszystkich innych urządzeniach wymagających zasilania energią słoneczną. W warunkach laboratoryjnych skuteczność tych ogniw potrafi przekraczać 40% (w wariantach wielozłączowych, czasem zaliczanych do nowszych generacji), co jest niezwykle dobrym wynikiem. W praktycznej pracy uzyskują istotnie ponad 20%. Charakterystyczny niebieski kolor i ślady nieregularnej struktury krystalicznej to cechy rozpoznawcze ogniw polikrystalicznych (fot. Depositphotos) Ogniwa krzemowe polikrystaliczne są tańsze, gdyż produkcja płytek podłożowych do nich jest znacznie prostsza. Wystarczy by krzem uległ krystalizacji i był odpowiednio czysty (zazwyczaj na poziomie 99,9999%), ale nie ma potrzeby dbać, by całość stanowiła jeden wielki kryształ. Niestety, nieidealna struktura prowadzi do zmniejszenia efektywności wychwytywania fotonów i zamieniania ich na energię elektryczną. Jeden od drugiego rodzaju ogniwa jest bardzo łatwo odróżnić. Modele monokrystaliczne mają jednolitą barwę, najczęściej niemal czarną. Ogniwa polikrystaliczne są najczęściej bardziej niebieskie i z bliska widać ich specyficzną strukturę - wyglądają jakby były złożone z licznych, losowo ułożonych wielokątów różnych rozmiarów. Budowa krzemowego ogniwa fotowoltaicznego Typowe (jednozłączowe) krzemowe ogniwo fotowoltaiczne składa się z kilku warstw. Główną część w przekroju stanowi płytka podłożowa - krzem, niezależnie czy monokrystaliczny, czy polikrystaliczny, odpowiednio domieszkowany. Od spodu jest pokryty warstwą elektrody, a więc metalem (np. srebrem, aluminium, lub stopem srebra z aluminium), od góry pokrywa go kilka warstw. Bezpośrednio na głównej warstwie znajduje się również krzem, ale domieszkowany w inny sposób, dzięki czemu pomiędzy tymi warstwami powstaje tzw. złącze półprzewodnikowe p-n. Jest ono kluczowe dla uzyskiwania przepływu prądu, a więc by ogniwo pracowało jako urządzenie elektryczne. Zaraz nad wierzchnią warstwą krzemu układa się bardzo cienką warstwę antyrefleksyjną, a następnie przednią elektrodę. Elektroda przednia, czasem zamiast z aluminium czy srebra, jest układana z przezroczystego tlenku indu-cyny, dzięki czemu przepuszcza więcej promieni słonecznych. Typowym układem jest rozmieszczenie na jednym ogniwie dwóch lub trzech równoległych, głównych elektrod (tzw. bussbary), od których prostopadle odchodzą cieńsze elektrody, tzw. palce. Natomiast warstwa antyrefleksyjna zwiększa ilość promieniowania słonecznego, docierającego do wnętrza ogniwa (zapobiega ich odbiciu przez ogniwo). Budowa ogniwa fotowoltaicznego (fot. Despotphotos) Budowa panela fotowoltaicznego Tak zbudowane ogniwa są następnie łączone w panele. Trzeba przy tym zaznaczyć, że samo ogniwo już mogłoby produkować prąd, tylko z braku zamknięcia obwodu, nie ma gdzie on płynąć. Panel składa się po prostu z szeregu ułożonych obok siebie ogniw, których elektrody są ze sobą zlutowane. Na krańcach panelu dolutowuje się już grubsze wyprowadzenia, które pozwalają odprowadzać prąd do zasilanych urządzeń. Choć z elektrycznego punktu widzenia to już kompletny system, tak zbudowany panel nie nadawałby się do montażu ze względu na zbytnią kruchość ogniw. Są one niezwykle cienkie i natychmiast popękałyby przy próbie przykręcenia. Dlatego całość pokrywa się szkłem hartowanym, które nadaje panelowi grubość, a jednocześnie zabezpiecza elektronikę przed uszkodzeniami. Samo szkło jednak nie wystarczy - potrzebna jest jeszcze warstwa uszczelniająca, która chroni półprzewodniki i warstwę metaliczną przed warunkami atmosferycznymi - głównie przed wilgocią i dostępem tlenu. Folię tę, najczęściej wykonaną z poli(etylenu-co-octanu winylu), nazywaną folią EVA (ang.: Etylene-Vinyl Acetate), stosuje się i od góry i od dołu ogniwa, dzięki czemu uszczelnia się też spód. Natomiast na szkło można jeszcze nałożyć kolejne warstwy antyrefleksyjne, sprawiające że będzie przez nie przechodzić więcej światła. Kompromisy, czyli warianty technologii Realna moc uzyskiwana z paneli fotowoltaicznych wynika z szeregu czynników konstrukcyjnych i warunków zewnętrznych. Aby przygotować panel do pracy z jak najlepszymi parametrami, konstruktorzy podejmują liczne decyzje, które w praktyce są kompromisami, w efekcie czego prawie zawsze poprawienie jednego parametru uzyskujemy kosztem innej cechy. Jednym z przykładów takiego kompromisu jest liczba tzw. bussbarów, czyli głównych elektrod, zbierających ładunki z ogniw. Im elektrody szersze i im szersze biegnące od nich palce, tym mniejsza rezystancja ogniwa. Podobnie, im tych bussbarów jest więcej, tym krótsze są palce, przez co ich stawiany opór elektryczny jest mniejszy. Warto przy tym zaznaczyć, że cienkie palce czasem ulegają uszkodzeniu, przez co przestają zbierać ładunek z danego obszaru ogniwa, wyłączając tym samym tę fragment z pracy. Im więc połączeń jest więcej, są szersze, krótsze i gęściej ułożone, tym większa odporność na uszkodzenia, a więc i lepsza trwałość panelu. Niestety, elektrody przysłaniają światło, negatywnie wpływając na ilość fotonów, docierających do wnętrza ogniwa i podlegających zjawisku fotoelektrycznemu. Dlatego konstruktorzy muszą arbitralnie wybierać, jaki rozkład elektrod będzie lepszy. Obecnie uważa się, że wariant z trzeba bussbarami daje lepsze rezultaty niż z dwoma. Sposób łączenia ogniw w panelach wpływa zarówno na ich parametry użytkowe jak i sam wygląd (fot. Zeneris Projekty) Jeszcze lepiej w praktyce radzą sobie panele SmartWire (znane też jako SWCT - Smart Wire Connection Technology), w których zamiast klasycznego lutowania pomiędzy sobą bussbarów, elektrody są nałożone na folię pasywującą w postaci bardzo dużej liczby cienkich włókien. Dodatkową korzyścią z takiego podejścia jest możliwość zmniejszenia temperatury produkcji samego ogniwa do ok. 150°C, podczas gdy lutowanie wymaga punktowego przykładania temperatur rzędu 250°C. Bardzo duża liczba połączeń w takiej siatce również poprawia odporność panelu na mikropęknięcia Alternatywą jest zmiana struktury półprzewodnikowej ogniw tak, by kontakty, zarówno dodatnie, jak i ujemne, znajdowały się po tylnej stronie (ogniwa IBC - Interdigitated Back Contact). Wtedy należy tylko odpowiednio ułożyć elektrody na spodzie, a wierzchnia warstwa panelu pozostaje jednolita i niczym nie przysłonięta. Niestety, wadą tego rozwiązania jest szybsza degradacja panelu, związana z występowaniem wysokich napięć pomiędzy ramą a półprzewodnikiem. Spada w ten sposób też moc panelu i konieczne jest odpowiednie uziemienie bieguna dodatniego oraz adekwatny falownik. Ogniwa połowiczne (połówkowe) Jedną z zasad, którą przyjął przemysł fotowoltaiczny jest jednolity rozmiar ogniw. Standardowo jest to 156 x 156 mm, przy czym często modele monokrystaliczne mają ścięte rogi, a są też ogniwa o zupełnie niekwadratowych kształtach. Zdarza się jednak, że dane ogniwo ulega uszkodzeniu i przestaje działać. Ponieważ ogniwo, które częściowo zbiera ładunki, ale nie może ich poprawnie odprowadzić, jest w stanie się bardzo nagrzewać, albo wprowadzać opór w szereg przenoszących prąd elektrod, stosuje się w budowie paneli diody, które w takiej sytuacji sprawiają, że dane ogniwo się w praktyce wyłącza w bezpieczny sposób. Niestety, to sprawia, że nawet małe uszkodzenie, czy np. przysłonięcie wpływa na większy obszar niż można przypuszczać. Gdyby ogniwa były mniejsze, każda usterka tego typu byłaby mniejszym problemem - dlatego część producentów stosuje ogniwa half-cut, których jeden z wymiarów jest o połowę mniejszy niż drugi. Ogniwa te łączy się ze sobą normalnie, ale cały panel dzieli się na dwie sekcje, górną i dolną. W efekcie, częściowe zacienienie modułu znacząco mniej wpływa na działanie całego panelu. Drobne różnice w konstrukcjach Istnieją jeszcze inne odmiany ogniw, które różnią się między sobą szczegółami konstrukcyjnymi, przede wszystkim w ułożeniu warstw lub sposobie ukształtowania i pokrycia warstw frontowych. Przykładowo, ogniwa PERC (Passivated Emmiter Rear Cell) mają pasywowaną tylną ściankę, tj. tylna strona jest dodatkowo pokrywa warstwą refleksyjną, która powoduje odbicia części promieniowania i przekierowanie ich z powrotem do półprzewodnika. Innym wariantem są ogniwa z elektrodami typu PERL (Passivated Emmiter Rear Locally diffused cel). Są zbliżone budową do ogniw z elektrodami z tyłu, ale mają część kontaktów na froncie przy innym rozłożeniu warstw o różnym domieszkowaniu. Warto też wspomnieć o technologii HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer), a więc takiej, w której warstwa krzemu jest umieszczona pomiędzy dwoma cienkimi warstwami krzemu amorficznego. Poprawia to działanie złącza półprzewodnikowego, a ładunki odbierane są za pomocą przezroczystych tlenków przewodzących. Takie ogniwo jest symetryczne i można je wykorzystać do budowy paneli prawdziwie dwustronnych. Tego typu konstrukcje cieszą się ostatnio coraz większą popularnością, szczególnie w obszarach gdzie wartość gruntu jest wysoka. Instalacja ogniw dwustronnych Stosując ogniwa dwustronne warto pamiętać o odpowiednim przygotowaniu podłoża. Słońce padające na ogniwa pod pewnym kątem, zmieniającym się w ciągu doby, będzie niemal zawsze po części trafiało również na obszar pod ogniwami (o ile nie są zamontowane całkowicie płasko). Światło to odbija się tym silniej, im powierzchnia pod ogniwem jest jaśniejsza. Przy pomalowaniu na biało, ilość odbitego światła, które pada na ogniwo od spodu, jest na tyle duża, że szkodą ją tracić. Użycie dwustronnego panelu pozwala korzystać z odbitego światła i sprawia, że ogniwa pracują także, gdy światło pada z mało korzystnego kierunku, a więc np. rano lub wieczorem. Gdy panele opierają się na osobnej konstrukcji nośnej, a jasne podłoże dobrze odbija światło , założenie paneli dwustronnych może być uzasadnione (fot. Depositphotos) Podsumowanie Dobrze jest, gdy użytkownik świadomie wybiera instalowane ogniwa. Wiele wartościowych informacji można uzyskać na stronach producentów, którzy podają różne szczegóły na temat wykorzystywanych technologii. Niestety, szczególnie w przypadku wytwórców działających w Chinach, a to właśnie oni dominują na rynku, nierzadko aspekty technologiczne, jeśli w ogóle są podane, to prezentowane są po chińsku i to w sposób mało usystematyzowany. Dlatego warto popytać polskiego dostawcę czy dystrybutora o szczegóły konstrukcji poszczególnych oferowanych produktów, by zorientować się, czy dane ogniwo lepiej sprawdza się w miejscu, gdzie istnieje duże ryzyko zasłaniania paneli liśćmi, albo gdy wiadomo, że panele będą narażane na silniejsze naprężenia, co może powodować zwiększoną liczbę mikrouszkodzeń, prowadzących do degradacji ogniw. Marcin Karbowniczek fot. Zeneris Projekty/Depositphotos Usuwanie metalizacji aluminiowej i srebrowej z krzemowych ogniw PV W procesie realizowanym w warunkach laboratoryjnych płytkę krzemową o wymiarach 125[mm]×125[mm] poddano reakcji z 30% roztworem wodorotlenku potasu zgodnie z reak-cją [8]: [ 4] 2 2 2 ( ) 3 6 2 2Al+ KOH+ H O→ K Al OH + H (22) Zgodnie z reakcją do usunięcia 53, 96 [g] Al potrzeba 112 [g] KOH; ponieważ usunięto 1,147 [g] Ag, to zużyto 2,38 [g] KOH . W związku z czym użycie 30% roztworu KOH pozwala na usu-nięcie metalizacji Al z około 12 płytek krzemowych. Pomiar masy ogniw PV wykonano przy użyciu wag elektronicznych jak na rys. 5. 92. Rys. 5. 92. Pomiar masy uszkodzonych mono i polikrystalicznych ogniw PV [88] 88 Zdjęcie wykonane podczas realizacji badań. Ogniwo monokrystaliczne Ogniwo polikrystaliczne Strona 138 z 183 Podobnie jak dla KOH płytkę krzemową o wymiarach 125[mm]×125[mm] poddano reakcji z 30% roztworem wodorotlenku sodu. W wyniku reakcji nastąpił ubytek masy płytki krzemo-wej o wartość 1,147 [g]. W związku z czym użycie 30% roztworu NaOH pozwala na usunięcie około 1,7 [g] glinu, z około 17 płytek krzemowych. Roztwarzanie metalizacji wykonanej na ogniwie na osnowie past srebrnych możliwe jest w środowisku kwasowym. W celu usunięcia metalizacji srebrnej użyto kwas azotowy(V), zgod-nie z reakcją: W toku przeprowadzonych badań do reakcji użyto 50 [ml] 65% HNO3 i rozcieńczono go wodą w stosunku 1:1. Zatem stężenie kwasu wynosiło 37,9%. Zgodnie z reakcją do usunięcia 107,9 [g] Ag potrzeba 126 [g] HNO3; ponieważ usunięto 0,222 [g] Ag, to zużyto 0,26 [g] HNO3. Za pomocą tego roztworu można usunąć kontakt metaliczny z około 175 płytek krzemowych. Obliczenia realizowano przy założeniu że gęstość 65% kwasu azotowego ρ= 1,40 [g/cm3]. Usuwanie warstwy antyrefleksyjnej i złącza p- n z krzemowych ogniw PV Usunięcie warstwy ARC oraz złącza p- n może być realizowane przy użyciu mieszanin trój-składnikowych w środowisku kwaśnym. W prowadzonych badaniach stosowano kilka typów mieszanin bazujących głownie na takich odczynnikach chemicznych jak: kwas fluorowodoro-wy, kwas fluoro-krzemofluorowodoro-wy, kwas azotowy(V), kwas octofluorowodoro-wy, nadtlenek wodoru, woda desty-lowana. Kwas octowy jak i woda pełnią rolę rozcieńczalnika, natomiast nadtlenek wodoru i kwas azotowy powodują utlenienie krzemu. W celu zwiększenia właściwości utleniających mieszanin trawiących stosowano dodatki: jodku potasu, azotanu srebra, azotanu miedzi, wody bromowej. Ponieważ po trawieniu ubyło 1,26 [g] krzemu tzn., że w trakcie reakcji 11,12% krzemu z płyt-ki krzemowej (zarówno w postaci SiO2 jak i Si) ulega przejściu w kwas fluorokrzemowy. Reak-cja sumaryczna procesu trawienia przedstawia się następująco [93]: O Kwas fluorokrzemowy rozkłada się na lotny fluorek krzemu i fluorowodór, proces ten prze-biega szybciej w miarę wzrostu temperatury: HF SiF SiF H2 6 → 4 +2 (25) W ocenie ekonomicznej recyklingu uwzględniono głównie koszty materiałowe oraz zużycie energii elektrycznej przez elektroniczne układy termostatujące i nadkład energetyczny, zwią-zany z zasilaniem myjek ultradźwiękowych. Koszty mieszanin trawiących są różne i zależą od Strona 139 z 183 ich składu. W tabeli 5. 14 podano aktualne ceny substancji stosowanych w głównym procesie recyklingu oraz rozpuszczalników używanych w procesie płukania. Tabela 5. 14. Koszt stosowanych substancji chemicznych w procesie recyklingu krzemowych ogniw PV (opracowanie własne) Nazwa substancji Stężenie Cena 100[g] lub 100 [ml] substancji [PLN] Ocenę kosztów usuwania metalizacji przedstawiono w tabeli 5. 15. Tabela 5. 15. Ocena kosztów usuwania metalizacji Al oraz Ag (opracowanie własne) Rodzaj Usunięcie warstwy ARC i złącza p- n odbywa się z zastosowaniem wieloskładnikowych mie-szanin trawiących (tabela 5. 16). 1. 20[ml] HNO3 (65%): 40[ml] HF(40%) : 40[ml] H2O + 2[g] AgNO3; 2. 250[ml] HNO3 (65%): 150[ml] HF (40%): 150[m]l CH3COOH (99,5%) + 3[ml] Br2; 3. 250[ml] HNO3 (65%): 150[ml] HF (40%): 150[ml] CH3COOH (99,5%); 4. 10[ml] HF (40%) : 10[ml] H2O2 (30%) : 40[ml]p H2O. Strona 140 z 183 Tabela 5. 16. Zestawienie wybranych własności wieloskładnikowych mieszanin trawiących (opracowanie własne) Rodzaj mieszaniny Koszt Czasochłonność przygotowania Ekologiczność Wydajność [µm/s] W tabeli 5. 17 podano średni koszt, jaki należy ponieść w celu odzyskania płytki krzemowej ze zużytego krzemowego ogniwa PV. Tabela 5. 17. Koszty wieloskładnikowych mieszanin trawiących (opracowanie własne) Rodzaj mieszaniny Średni koszt odzyskania 1 płytki Si [PLN] 2,10 2,21 Aspekt ekonomiczny powinien również uwzględniać: koszty pomiarowo- kontrolne, mające na celu określenie jakości odzyskanego podło-ża bazowego; koszty utylizacji zużytych mieszanin trawiących, stosowanych na etapie oczyszczania, jak i w procesie zasadniczym recyklingu zużytych ogniw PV; Strona 141 z 183 koszty transportu zużytych modułów PV do miejsca, w którym będzie realizowany proces recyklingu; koszty utrzymania punktów zbiórki. W przypadku recyklingu całych modułów PV znaczna część powyższych kosztów może być zrekompensowane innymi korzyściami np.: w postaci odzyskanej znacznej gamy cennych surowców w postaci Al, Cu, tworzyw sztucznych, szkła oraz stali, nadających się niemalże w 100% do ponownego przetworzenia. Średnie nakłady poniesione na etapie odzyskiwania krzemowego podłoża bazowego są znacznie mniejsze od średnich nakładów ponoszonych w przypadku zakupu płytek krzemowych wytwarzanych z materiałów pierwotnych. W tabeli 5. 18 przedstawiono uśrednioną cenę, jaką trzeba zapłacić za płytkę krzemową z materiałów pierwotnych. Tabela 5. 18. Zestawienie cen nowych płytek PV od wybranych producentów (opracowanie własne) Metoda otrzy- mywania krzemu Średnica ogniw Typ przewodnictwa Domieszkowanie Orientacja R [Ω∙cm] Grubość [µm] Powierzchnia Cena [PLN/szt.] Producent CZ 125 mm n fosfor [100] 1-20 180-200 Średnia cena nabycia 1 płytki Si 8,65 Omówienie wyników oceny ekonomicznej recyklingu krzemowych ogniw PV Otrzymane płytki krzemowe stanowiące podłoże do produkcji ogniw PV, są znacznie tańsze niż te wykonane z materiałów pierwotnych [39]. Płytki krzemowe, z których wytwarza się ogniwa PV, a następnie produkuje moduł PV stanowią ponad 50% kosztów jego wytworzenia [96]. Wyniki przeprowadzonych analiz wykazały, iż dzięki zastosowaniu recyklingu materia-Strona 142 z 183 łowego możliwe jest uzyskanie znacznych oszczędności, których poziom osiąga wartość 74%. Po uwzględnieniu konieczności zutylizowania zużytych mieszanin nadal możliwe jest uzyska-nie znacznych oszczędności na poziomie uzyska-nie muzyska-niejszym niż 48,9%. Ponadto- usuwając meta-lizację srebrną czy stosując dodatek w postaci AgNO3- możliwe jest odzyskanie ze zużytych mieszani srebra. Podobnie wygląda sytuacja w odniesieniu do usuwania metalizacji Al. Od-zysk ze zużytych mieszanin Al oraz Ag wpływa korzystnie na końcowe wartości wskaźnika ekonomicznego i w pewnym zakresie rekompensuje koszty neutralizacji zużytych mieszanin trawiących. Zagospodarowanie uszkodzonych ogniw PV będących odpadem Firma SELFA GE posiada duże doświadczenie w zakresie technologii produkcji krzemowych modułów fotowoltaicznych, poparte wieloletnią współpracą z instytucjami naukowymi i specjalistami z całej Europy. Nieustannie prowadzimy prace badawcze mające na celu poprawę wydajności, jakości i trwałości naszych produktów. Między innymi z tego powodu powstał w grudniu 2018 roku Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Selfa GE - zobacz film Nasze moduły fotowoltaiczne, produkowane są na zautomatyzowanej linii produkcyjnej, wykorzystującej najnowsze rozwiązania technologiczne, gwarantując tym samym wysoką jakość i powtarzalność procesu. Film - Produkcja paneli słonecznych - Selfa Technologia produkcji krzemowych ogniw fotowoltaicznych Głównym surowcem do produkcji, zarówno mono- jak i polikrystalicznych ogniw fotowoltaicznych jest wysokiej czystości krzem krystaliczny (c-Si). Pierwszym etapem procesu produkcyjnego ogniw jest chemiczne usunięcie zanieczyszczeń powstałych w procesie cięcia bloku krzemowego na cienkie płytki (grubość zazwyczaj w przedziale 180 - 220µm). Następnie płytki krzemowe poddaje się teksturowaniu celem zwiększenia powierzchni aktywnej na działanie promieniowania słonecznego. W ogniwie tworzy się złącze p-n poprzez dyfuzję fosforu. Domieszkowane złącze p ogniwa podgrzewane jest w piecu w atmosferze fazy gazowej fosforu. Atomy fosforu dyfundują do krzemu i tworzą na jego powierzchni domieszkę typu n. Na aktywnej stronie ogniwa nanoszona jest powłoka antyrefleksyjna zwiększająca absorbcję promieniowania słonecznego i poprawiające parametry elektryczne ogniwa. Powłoka antyrefleksyjna powstaje poprzez osadzanie na powierzchni azotku krzemu. W kolejnym etapie, na powierzchnię ogniwa nanosi się metalową siatkę przewodzącą metodą sitodruku. Siatka ta ma za zadanie zbieranie ładunków elektrycznych z całej powierzchni ogniwa. Na spodniej i wierzchniej stronie ogniwa tworzy się także cienkie szyny zbiorcze (obecnie używamy ogniw 10BB), do których później w procesie produkcji modułu będą lutowane taśmy połączeniowe. Gotowe fotoogniwa są następnie klasyfikowane według właściwości elektrycznych i optycznych, sortowane i przygotowywane do produkcji modułów fotowoltaicznych. Technologia produkcji modułów fotowoltaicznych Fot. Budowa modułu fotowoltaicznego Moduł fotowoltaiczny podczas normalnej pracy w warunkach atmosferycznych, jest często narażony na działanie zarówno niskich, jak i wysokich temperatur, deszczu, śniegu, itp. Dlatego też bardzo ważne jest, aby wszystkie elementy elektryczne były w sposób trwały hermetycznie odizolowane od wpływu czynników zewnętrznych. Pierwszym etapem produkcji modułów fotowoltaicznych jest szeregowe łączenie fotoogniw za pomocą miedzianych taśm połączeniowych. Podczas procesu lutowania, prowadzona jest automatyczna kontrola wizualna, aby nie dopuścić do umieszczenia w module ogniw uszkodzonych. Połączone ogniwa układane są na szybie hartowanej pokrytej folią EVA, a następnie łączone elektrycznie ze sobą. Fot. Technologia produkcji modułów słonecznych w firmie SELFA GE Po połączeniu pełnej „macierzy” ogniw, nakłada się kolejne warstwy folii EVA oraz folii elektroizolacyjnej, zabezpieczającej moduł przed działaniem czynników zewnętrznych. Tak przygotowany moduł poddawany jest laminacji w temperaturze ok. 150°C i ulega całkowitej hermetyzacji. Tak przygotowane laminaty oprawiane są w aluminiowe ramy, a do spodniej powierzchni modułu montowana jest puszka przyłączeniowa z przewodami. Gotowe moduły fotowoltaiczne poddawane są kontroli na symulatorze promieniowania słonecznego w standardowych warunkach testowania (STC: 1000W/m2, 25°C, gdzie określane są parametry elektryczne, takie jak: moc maksymalna (Wp), prąd zwarcia (Isc), napięcie obwodu otwartego (Voc), Moduły fotowoltaiczne produkowane przez firmę SELFA GE spełniają wszystkie obowiązujące europejskie normy z zakresu projektowania, kontroli, badań i bezpieczeństwa modułów fotowoltaicznych. Zgodność z normami potwierdzona jest certyfikatami niemieckiego Instytutu Badań i Certyfikacji VDE oraz KIWA Cermet Italia. Nowe rozwiązania w ogniwach PV krzemowych Klasy ogniw krzemowych Co to jest fotoogniwo? Ogniwa fotowoltaiczne, ogniwa słoneczne lub fotoogniwa są to urządzenia, które zamieniają energię promieniowania słonecznego bezpośrednio w energię elektryczną. Budowa ogniw fotowoltaicznych Większość obecnie produkowanych ogniw fotowoltaicznych oparta jest na półprzewodnikowych złączach p-n. Ogniwo słoneczne składa się z dwóch warstw: jednej ujemnie naładowanej i drugiej naładowanej dodatnio. Światło słoneczne padając na ogniwo słoneczne inicjuje reakcję fizyczną, w efekcie której powstaje prąd stały. Jako, że większość urządzeń elektrycznych i sieć energetyczna wykorzystuje prąd zmienny, wyprodukowany prąd stały musi zostać przekonwertowany do prądu zmiennego o właściwym napięciu. Proces ten jest dokonywany za pomocą przetwornika zwanego falownikiem. Opis zjawiska – aby zrozumieć proces powstawania prądu w ogniwie fotowoltaicznym musimy przypomnieć sobie z fizyki naturę światła. Zgodnie z teorią Einsteina, o falowo korpuskularnej naturze promieniowania, światło słoneczne możemy traktować jako fale rozchodzące się w przestrzeni z pewną częstotliwością, lub strumień fotonów (kwantów), z których każdy niesie energię. Fotony zderzając się z elektronami przekazują im całą niesioną przez siebie energię, przy czym przy odpowiednio dużej jej wartości dochodzi do zjawiska fotoemisji, czyli wybicia elektronów z orbit atomowych. Atom który stracił elektron uzyskuje ładunek dodatni „+e”, a miejsce w którym brakuje elektronu nazywamy dziurą (-e). Zjawisko fotoemisji elektronów zachodzi najszybciej w atomach posiadających dużą ilość tzw. elektronów walencyjnych, poruszających się po orbitach najdalej położonych od jądra. Przykładem takiego pierwiastka jest krzem, który posiada na ostatniej powłoce 4 elektrony walencyjne. Krzem chociaż nie jest metalem, ma zdolność do przewodzenia prądu. Przewodność ta jest jednak niewielka, dlatego w technice wykorzystuje się krzem modyfikowany, jako półprzewodnik typu „n” i „p”. Półprzewodnik typu n (negative) uzyskuje się przez dodanie w procesie wzrostu kryształu domieszek pięciowartościowych, czyli takich, które posiadają o 1 elektron walencyjny więcej od krzemu (np. fosfor, arsen, antymon). Ten piąty elektron z powodu braku pary nie będzie brał udziału w tworzeniu wiązania kowalencyjnego. Będzie słabo związany z jądrem, a więc niewielka ilość energii będzie potrzebna, aby zerwać to wiązanie. Półprzewodnik typu p (positive) uzyskuje się analogicznie poprzez dodanie do kryształu pierwiastków trójwartościowych (np. bor, ind, glin), co spowoduje zdekompletowanie jednego z wiązań kowalencyjnych w sieci krystalicznej i powstanie dziur elektronowych. Przy połączeniu ze sobą obu półprzewodników powstaje między nimi różnica potencjałów i zaczyna płynąć prąd. Jego wartość jest niewielka, ale jeśli doprowadzimy do układu energię fotonów różnica potencjałów gwałtownie wzrośnie. Budowa ogniwa fotowoltaicznego Pojedyncze ogniwo fotowoltaiczne składa się z płytki krzemowej. Na górnej powierzchni płytki umieszczona jest elektroda zbierająca elektrony w postaci siatki, a na dolnej nanoszona jest elektroda dolna w postaci warstwy metalicznej Pojedyncze ogniwa krzemowe wykonywane są o wymiarach 4×4″, 5×5″ i 6×6″, czyli 10×10 do 15x15cm i są w stanie wygenerować prąd o mocy od 1-6,97 W. W praktyce wielkość energii uzyskanej z jednego ogniwa nie przekracza zwykle 4 W. Ogniwa łączy się szeregowo i równolegle w baterie (panele fotowoltaiczne). Jeden panel jest juz w stanie wygenerować moc dochodzącą do 300W. Rodzaje ogniw fotowoltaicznych Ogniwa krzemowe (I generacji) Obserwując na targach panele fotowoltaiczne, z pewnością zauważyliśmy różne kolory i kształty pojedynczych ogniw. Jest to związane z ich budową i procesem produkcyjnym. Najpopularniejsze i mające zdecydowanie największy udział w rynku to ogniwa tzw. I generacji wykonane z płytek krzemowych o grubości od 0,1-0,3mm, stąd inna nazwa grubowarstowe. Ogniwa te posiadają złącze typu n-p i wykonywane są z krzemu monokrystalicznego lub polikrystalicznego. Ogniwa monokrystaliczne – tworzone są z jednego kryształu krzemu o uporządkowanej strukturze wewnętrznej, osiągają najwyższą sprawność (do 22%) i największą żywotność, ale są kosztowne. Mają obecnie największy udział w rynku. Wytwarzanie ogniw monokrystalicznych wymaga wyprodukowania pojedynczych kryształów krzemu. W praktyce stosowany jest najczęściej proces Czochralskiego polegający na wyciąganiu pojedynczego kryształu krzemu z roztopionej masy polikryształów. Zarodkiem wokół którego narasta stopniowo kryształ krzemu wykonany jest z krzemowego pręta. Tygiel w którym znajduje się hodowany kryształ dodatkowo wprowadzony jest w ruch obrotowy, aby polepszyć rozkład temperatur. W rezultacie otrzymuje się cylindryczny monokryształ o orientacji krystalograficznej zarodka. Wymiary i kształt hodowanego kryształu (średnica oraz długość) kontrolowane są poprzez prędkość przesuwu i prędkość obrotową zarodka, ograniczone są jednak poprzez parametry układu zastosowanego do hodowli. Fot. Proces wzrostu kryształów krzemu zachodzi w temperaturze 1400 C (po prawej), po lewej gotowe pręty krzemowe do pocięcia na płytki. Ryc. Po lewej schemat obrotowego tygla do metody Czochralskiego, po prawej – imponujący kryształ krzemu. Fot. Etapy metody Czochralskiego (1) Topienie materiału, (2) stabilizacja temperatury, (3) Kontakt zarodek-roztop, (4) krystalizacja przedłużenia zarodka, (5) powiększenie średnicy (stożek początkowy), (6) wzrost części walcowej. Szybkość przyrostu kryształu waha się od 10 do nawet 50mm/h. Wyciągnięcie walca o długości 1m trwa zwykle około 30h. Wyhodowany kryształ w kształcie walca cięty jest najpierw na pionowe kolumny o zaokrąglonych bokach, a następnie za pomocą lasera lub druta ze stali nierdzewnej na tzw. „wafle” płytki o grubości 0,3mm i promieniu od kilku do kilkunastu cm. Płytki takie mają ładunek (p-) a technologia tego typu nosi nazwę grubowarstwowej. W pojedynczych płytkach w cienkiej warstwie powierzchniowej za pomocą dyfuzji fosforu wytwarza się obszar typu (n+). Połączenie ze sobą dwóch takich płytek daje złącze (p-n). Krzem krystaliczny, a ściślej jego powierzchnia, ma tendencję do odbijania padających promieni słonecznych (nawet do 40%). Aby temu zapobiec na powierzchnię płytki nanosi się cienką warstwę przeciwodblaskową. Dalsza produkcja polega na naniesieniu ścieżek prądowych z cienkich pasków folii aluminiowej i zabezpieczeniu całego ogniwa przed wpływem warunków atmosferycznych specjalną warstwą folii organicznej EVA (Etyleno Vinylo Acid). Dzięki takiej hermetycznej strukturze ogniwa mogą pracować w instalacjach całorocznych ponad 25 lat. Wyhodowany kryształ w kształcie walca cięty jest następnie za pomocą lasera na płytki o grubości 0,3mm i promieniu od kilku do kilkunastu cm. Płytki takie mają ładunek (p-) a technologia tego typu nosi nazwę grubowarstwowej. W pojedynczych płytkach w cienkiej warstwie powierzchniowej za pomocą dyfuzji fosforu wytwarza się obszar typu (n+). Połączenie ze sobą dwóch takich płytek daje złącze (p-n). Krzem krystaliczny, a ściślej jego powierzchnia, ma tendencję do odbijania padających promieni słonecznych (nawet do 40%). Aby temu zapobiec na powierzchnię płytki nanosi się cienką warstwę przeciwodblaskową. Dalsza produkcja polega na naniesieniu ścieżek prądowych z cienkich pasków folii aluminiowej i zabezpieczeniu całego ogniwa przed wpływem warunków atmosferycznych specjalną warstwą folii organicznej EVA (Etyleno Vinylo Acid). Dzięki takiej hermetycznej strukturze ogniwa mogą pracować w instalacjach całorocznych ponad 25 lat. Rys. Pojedyncze ogniwo monokrystaliczne i fragment panelu. Ogniwa polikrystaliczne – produkowane są zwykle metodą odlewania tyglowego (rys. po lewej). Surowe kawałki krzemu topi się w w tyglu o prostopadłościennym kształcie uzyskując jeden duży blok krzemowy. Ten cięty jest następnie na prostopadłościany i dalej na płytki („wafle”) o grubości <0,2mm. Koszt produkcji jest znacznie mniejszy i mniej energochłonny niż w przypadku metody Chochralskiego, dzięki czemu są tańsze od monokrystalicznych jednak posiadają mniejszą sprawność. Posiadają niebieski kolor oraz mają wyraźnie zarysowane kryształy krzemu przypominające szron. Ze względu na niską cenę obecnie są najczęściej stosowanymi fotoogniwami na rynku. Dalsza obróbka polega na: – szlifowaniu płytek – nałożeniu ścieżek prądowych metodą druku sitowego – nałożenie warstwy antyodblaskowej Sprawność modułów polikrystalicznych wynosi 15-18%. Jest więc niższa niz ogniw monokrystalicznych, ale jednocześnie tańsza w produkcji. Koszt wyprodukowania ogniwa polikrystalicznego wynosi 2,3zł/W podczas gdy monokrystalicznego 2,5zł/W. Fot. Pojedyncze ogniwo polikrystaliczne i fragment panelu. Ogniwa II generacji Są także zbudowane w oparciu o złącze n-p jednak nie z krzemu krystalicznego lecz np. z tellurku kadmu (CdTe), mieszaniny miedzi, indu, galu, selenu (CIGS) czy krzemu amorficznego (a-Si). Ich cechą charakterystyczną jest bardzo mała grubość warstwy półprzewodnika absorbującej światło, która zazwyczaj waha się od 0,001-0,08mm, stąd inna nazwa ogniwa cienkowarstwowe. Z uwagi na dużą redukcję zużycia półprzewodników są znacznie tańsze w produkcji, a cały proces bardziej zautomatyzowany. Ogniwa PV II generacji nie mają ściśle zdefiniowanego materiału z którego są wykonane. Jego struktura może być krystaliczna, jak i amorficzna. Ważniejszy jest proces ich produkcji metodą cienkowarstwową poprzez: – napylanie – naparowywanie – epitaksję Mniejsza grubość warstwy absorbera promieniowania słonecznego powoduje krótszą drogę promienia w materiale, wymuszając aby absorpcja przebiega szybciej, możliwie blisko powierzchni ogniwa. Determinuje to zastosowanie do produkcji tej warstwy materiałów posiadających własności absorpcyjne jak: tellurek kadmu, azotek indu, fosforek indu, itp. Ogniwa III generacji Nie posiadają już klasycznego złącza typu p-n, mechanizm powstawania w nich ładunku elektrycznego jest charakterystyczny dla danego procesu i rozwiązania i ma charakter nowatorski. Obecnie wyróżnia się co najmniej pięć typów takich ogniw: – ogniwa w układach koncentrujących światło (koncentratory PV) – wysokosprawne wielozłączowe struktury półprzewodnikowe – ogniwa uczulane barwnikiem – ogniwa organiczne OPV – inne ogniwa np. perowskitowe Ogniwa III generacji nie mają obecnie większego zastosowania z uwagi na ich nadal krótki czas pracy i często niską sprawność. Charakterystyka wybranych ogniw Ogniwa krzemowe monokrystaliczne Posiadają ciemny jednolity kolor, maja największy udział w rynku. technologia ich produkcji została opisana powyżej. Ogniwa monokrystaliczne mają bardzo wysoką sprawność dochodząca obecnie do 20% i więcej. Osiągają ja jednak tylko w słoneczne, bezchmurne dni. Przy zachmurzeniu ich wydajność bardzo spada. Inną wadą tego typu ogniw jest duży wskaźnik spadku mocy wraz ze wzrostem temperatury wynoszący zwykle od 0,4-0,5%/ºC. Z krzemu monokrystalicznego produkowane są także ogniwa z heterozłączem, które oprócz krzemu monokrystalicznego posiadają także dwie cienkie warstwy krzemu amorficznego (ogniwa typu HIT- Heterojunction with Intrinsic Thin layer). Rozwiązanie takie zapewnia wysoką sprawność dzięki absorbowaniu także światła rozproszonego niskoenergetycznego, występującego w pochmurne dni. Ogniwa typu HIT Moduł Sanyo HIT-N230 zademonstrowany podczas konferencji prasowej Sanyo Electric Solar Division opiera się na wykorzystaniu pojedynczej warstwy monokrystalicznego krzemu typu n, sąsiadującej z bardzo cienkimi warstwami krzemu amorficznego typu n z jednej strony, oraz typu p z drugiej strony. Ogniwa typu Hit ma sprawność na poziomie 22,8% i grubość jedynie 98μm. Tak cienkie ogniowo zmniejsza koszty produkcyjne, czyli główną barierę popularyzacji tej drogi pozyskiwania zielonej energii. Technologia wytwarzania tego typu ogniw pozwala na stosowanie niskich temperatur, co powoduje tylko nieznaczną dyfuzję zanieczyszczeń do płytki bazowej w trakcie napylania poszczególnych warstw. Zaletą ogniw jest dużo wyższa wydajność przy wysokich temperaturach ale również wyższa efektywność przy typowych warunkach pracy. Moduł Sanyo N230 cechuje sprawność, tj. stosunek energii przetworzonej do energii dostarczonej na poziomie 20,7 %. Tak wysoki wynik udało się uzyskać dzięki zwiększeniu liczby połączeń elektrycznych pomiędzy poszczególnymi ogniwami, jednocześnie zmniejszając ich przekrój. Ponadto ogniwa zostały pokryte warstwą srebra, co wpłynęło na zmniejszenie stopnia rozproszenia i odbicia światła. Moduły Sanyo N230 trafiły do sprzedaży detalicznej w Japonii jesienią 2010 roku, a w Europie na początku 2011 roku. Firma Sanyo produkuje ogniwa typu HIT w kształcie klasycznym i zmodernizowanym do kształtu plastra miodu (Honeycomb Design – HD). To ostatnie rozwiązanie pozwala w bardziej wydajny sposób wykorzystać kryształy krzemu. Fot. Wygląd panelu Sanyo HIT H250E01 All Back Contact Innym rozwiązaniem ogniw monokrystalicznych o wysokiej sprawności są ogniwa typu All Back Contact posiadające obie elektrody z tyłu ogniwa. W tego typu ogniwach nie widać na przedniej ściance charakterystycznych nitek elektrod, bowiem obie elektrody umieszczone są na tylnej ściance ogniwa. Pozwala to na większą powierzchnię absorpcji promieniowania i osiąganie sprawności na poziomie ponad 22%. Są to obecnie najwydajniejsze ogniwa fotowoltaiczne w produkcji komercyjnej na świecie. Ich wadą jest skłonność do polaryzacji co prowadzi do degradacji indukowanym napięciem PID (Potential Induced Degradation). Rys. Budowa ogniwa Back kontact. Fot. Wygląd ogniwa po lewej -od tyłu, po prawej od frontu. Ogniwa amorficzne – wykonane są z amorficznego, bezpostaciowego niewykrystalizowanego krzemu dyfundowanego wodorem w il ości 8-12% (a-Si:H). Charakteryzują się niską sprawnością w przedziale 6-8% oraz niską ceną. Produkcja ogniwa polega na nakładaniu cienkich warstw krzemu na szkle, stali nierdzewnej lub tworzywach sztucznych. Zazwyczaj posiadają charakterystyczny lekko bordowy kolor i brak widocznych kryształów krzemu. Są powszechnie stosowane w kalkulatorach. Grubość warstwy krzemu naniesionej na taflę szklaną wynosi tutaj do 2 mikronów. Wydajność amorficznej baterii słonecznej krzemowej zazwyczaj spada w ciągu pierwszych sześciu miesięcy pracy (tzw. efekt Staeblera-Wrońskiego SWE). Spadek ten może wynosić od 10% do 30% w zależności od jakości materiału i konstrukcji urządzenia. Większość tej straty ma wpływ na współczynnik wypełnienia FF, który spada z początkowej wartości 0,7 do 0,6.. Po tym początkowym spadku efekt osiąga równowagę i powoduje niewielką degradację. Poziom równowagi zmienia się wraz z temperaturą roboczą tak, że wydajność modułów w miesiącach letnich nieco poprawia się i ponownie spada w miesiącach zimowych. Większość dostępnych w handlu modułów a-Si ma degradację SWE w zakresie 10-15%, a dostawcy zazwyczaj określają wydajność w oparciu o wydajność po ustabilizowaniu się degradacji SWE. Powoduje to, że „świeżo” zamontowane moduły z krzemu amorficznego generują znacznie wyższe moce w początkowym okresie pracy, co może stanowić problem dla falowników. Problem niskiej sprawności paneli z krzemu amorficznego rozwiązano wprowadzając: – nanokrystaliczny krzem zamiast amorficznego krzemu – pracę w wyższej temperaturze. Można to osiągnąć przez włączenie PV do fotowoltaicznego termicznego hybrydowego kolektora słonecznego (PVT). PVT może pracować w wyższych temperaturach niż w przypadku standardowych PV, poprawia to wydajność o ~ 10%. – konstrukcję wielozłączową, zawierającą materiały ułożone jeden na drugim i absorbujące różne części spektrum promieniowania. Zapewniło to uzyskanie wysokich sprawności 17-24%. Zaletą ogniw amorficznych jest stosunkowo wysoka sprawność w pochmurne dni dzięki absorpcji niskoenergetycznego promieniowania, co zapewnia mały spadek mocy paneli amorficznych w porównaniu do monokrystalicznych przy silnym zachmurzeniu. Ogniwa wielozłączowe Wykonane są z mieszaniny pierwiastków np. miedzi, indu, galu, selenu. W technologii produkcji wykorzystuje się nanoszenie warstwowe. W przypadku ogniw CIGS także metodę przemysłowego druku. W tej technologii moduł PV zbudowany jest najczęściej z jednego dużego ogniwa Sprawność powyższych ogniw wynosi odpowiednio: – moduły CdTe – 12-14% (ostatnie dane z 2016 roku firmy First Solar największego światowego producenta mówią już o średniej sprawności rzędu 16,6%) – moduły CIGS – 13-16% – moduły z krzemu amorficznego a-Si – 6-8% Rys. Budowa ogniwa CIGS. Najlepszym obecnie pod względem sprawności materiałem używanym przy produkcji fotoogniw jest arsenek galu (GaAs), osiągający sprawność na poziomie 35%. Jednakże z powodu bardzo drogich technologii nie ma praktycznego zastosowania w przemyśle, prototypowe instalacje zastosowano tylko w kosmonautyce. Schemat struktury CIGS przedstawiono na rys. obok. Warstwę absorbera otrzymuje się przez termiczne naparowanie z czterech źródeł na pokryte metalem szkło sodowe. Metalizacja ta to tylny kontakt omowy ogniwa, do którego podłączone są przewody odprowadzające prąd i stanowi ją cienka warstwa molibdenu – metalu dającego omowy kontakt z CIGS. Ogniwa barwnikowe (DSC lub DSSC) Należące do tej grupy ogniwa bazują na odwracalnym procesie fotochemicznym. Absorberem jest barwnik (organiczny lub nieorganiczny) dobrze pochłaniający promieniowanie poniżej 900 nm. Między dwoma warstwami z przewodzącego tlenku (TCO) umieszcza się membranę z ditlenku tytanu nasyconą elektrolitem (roztwór jodu i jodku potasu) i barwnik. Molekuła barwnika, absorbując foton, podnosi chwilowo swoją energię (ulega wzbudzeniu) i przekazuje ją ditlenkowi tytanu w postaci swobodnegoelektronu, który transportuje ładunek elektryczny do tylnej elektrody TCO. Barwnik ulega redukcji w reakcji z elektrolitem, który z kolei powraca do stanu wyjściowego, pobierając elektron z przedniej elektrody (TCO domieszkowanej platyną). Ogniwa DSC o takiej budowie osiągają laboratoryjną sprawności na poziomie do 11 proc. (ogniwa Graetzla z barwnikiem na bazie polipirydylowych kompleksów rutenu i osmu). Rys. Budowa ogniwa barwnikowego. Niewątpliwą zaletą ogniw uczulanych barwnikiem jest niewielka wrażliwość na zmianę temperatury, wadą zaś konieczność stosowania ciekłego elektrolitu ograniczającego znacznie ich żywotność. Rozwiązaniem tego problemu może być kompromis w zakresie sprawności i trwałości uzyskiwany przez zastosowanie polimerowego elektrolitu żelowego lub rezygnacja z elektrolitu na rzecz stałego półprzewodnika typu p. Potencjał rozwoju technik realizacji ogniw DSC tkwi w niskich kosztach procesu technologicznego i materiału (głównie absorbera) oraz możliwości zastosowania odnawialnych związków organicznych. Pozwalają na zastosowanie w elementach transparentnych jak szyby wystawowe, świetliki Ogniwa organiczne Oparte są na organicznych materiałach półprzewodnikowych (polimerach, oligomerach, dendrymerach), w których podczas absorpcji promieniowania dochodzi do powstawania ekscytonów – par związanych ze sobą ładunków o przeciwnych biegunach. Proces dysocjacji (rozbicia) ekscytonu uwalnia ładunki i umożliwia ich migrację w kierunku elektrod. Do separacji dochodzi w rejonie styku metal – organiczny półprzewodnik, a także na styku materiału organicznego donorowego i akceptorowego. Ogniwa wykonywane są w technice cienkowarstwowej na podłożach szklanych z przednią elektrodą TCO i tylną aluminiową, pełniącą również funkcję zwierciadła. Absorber organiczny może być realizowany w postaci pojedynczej warstwy polimeru, dwóch warstw różnych polimerów z heterozłączem lub ich mieszaniny (heterozłącze – przestrzenne), a także wielowarstwowo. Sprawności ogniw heterozłączowych wynosi przeciętnie od 0,007 do 1 proc., a w przypadku skomplikowanych struktur wielowarstwowych dochodzi do 5 proc. Najważniejszymi atutami ogniw organicznych są: ich znakomita absorpcja dochodząca do 90 proc. na drodze zaledwie 100 nm, nietoksyczność oraz bardzo niskie koszty produkcji. Największe wady to: złożony proces generacji swobodnych nośników ładunku, wysokie straty wewnętrzne, duże ryzyko uszkodzenia w wysokiej temperaturze i niestabilność parametrów w perspektywie długiego czasu użytkowania. W kraju ogniwa organiczne produkowane są przez firmę Konarka pod nazwą „Power plastic” Fotoogniwa power plastic produkowane są ze specjalnego polimerowego atramentu metodą nadruku. Ich wydajność energetyczna jest mała i nie przekracza 6%, podobnie jest z trwałością, szacowaną na 5 lat (krzemowe do 30 lat). Zaletą rozwiązania jest możliwość wykonania dowolnej struktury ogniwa i umieszczenia go na każdej powierzchni o nietypowym kształcie. Fot. Po lewej Ogniwo Konarka. Ogniwa obustronne To rozwiązanie do wąskiego stosowania, dla barierek, szyb wystawowych, ogrodzeń. Ogniwo obustronne posiada warstwy przednią i tylko do absorbowania energii słonecznej. Zwykle konwersja promieniowania strony przedniej jest wyższa niż tylnej. Ogniwa tego typu pozwalają zagospodarować energię światła odbitego. W szczególnych warunkach (kat padania promieni) zysk z ich zastosowania może sięgać od 5-50%. Największą sprawność uzyskują zwykle tam, gdzie panel ustawiony musi być pod kątem 90 do podłoża, a słońce wykonuje długa wędrówkę po niebie. Rys. Po lewej, ogniow obustronne, budowa. U dołu wygląd pojedynczego ogniwa i przykładowe zastosowanie w szybie wystawowej. Ogniwa wykorzystujące inne zjawiska Trwają badania nad wykorzystaniem w konwersji fotowoltaicznej nanostruktur kwantowych (studnie, druty i kropki kwantowe), które umożliwiłyby absorpcję większej ilość energii niesionej przez strumień światła białego bez strat związanych z występowaniem dla danego materiału maksimum czułości tylko dla promieniowania o określonej długości. Poprzez zmiany wymiarów nanostruktur kwantowych można je uczulać na konkretne długości fal – podobnie jak poprzez zmianę barwnika w ogniwach uczulanych barwnikiem. Przewaga nanostruktur wynika z możliwości jednoczesnego uczulenia ogniwa na kilkanaście, a nawet kilkadziesiąt różnych długości fal. Wytwarzanie struktur kwantowych od kilku do kilkudziesięciu nanometrów jest możliwe tylko przy zastosowaniu bardzo drogich i ściśle kontrolowanych metod epitaksjalnego wzrostu warstw krystalicznych (np. epitaksji z wiązek molekularnych). Koszt może być jednak zniwelowany przez wysoką sprawność ogniw używanych w układzie z koncentratorami. Struktury kwantowe mogą być stosowane zarówno w celu poprawy sprawności krystalicznych ogniw I generacji, jak również w nowych technologiach, np. z elektrolitycznym nośnikiem ładunku. Rys. Budowa ogniwa z kropkami kwantowymi. Na bazie kropek kwantowych zbudowanych jest wiele urządzeń, w tym tranzystory, diody elektroluminescencyjne, lasery, znaczniki medyczne, nośniki leków, ogniwa barwnikowe DSSC (z ang. dye sensitized solar cells). Badacze z LANL oraz UNIMIB zaprojektowali i wykonali tzw. luminescencyjny koncentrator energii promieniowania słonecznego (z ang. luminescent solar concentrator, LSC). Aparatura w formie płyty lub folii polimerowej zawiera centra luminescencyjne, dzięki którym padające promieniowanie słoneczne jest absorbowane. Polimerowa matryca koncentratora pracuje jak światłowód. Ograniczają ją krawędzie, gdzie umieszczone są ogniwa fotowoltaiczne. Zaabsorbowane przez centra (kropki) promieniowanie przesyłane jest do krawędzi koncentratora, gdzie następnie ulega ono konwersji na energię elektryczną. Centra działają jak zbiór pochłaniających światło anten, które skupiają promieniowanie słoneczne zebrane z dużego obszaru na znacznie mniejszą powierzchnię ogniw PV umieszczonych po bokach. Przekłada się to na znaczne zwiększenie intensyfikacji produkcji urządzenie oparte na kropkach kwantowych posiadało wywołane sztucznie, duże oddzielenie pasma absorpcji od pasma emisji (tzw. duże przesunięcie Stokesa). Kropki kwantowe zbudowane były ze struktur selenku kadmu i siarczku kadmu (CdSe/CdS). Absorpcja światła odbywała się przez stosunkowo grubą powłokę z CdS, a emisja następowała dzięki wnętrzu z CdSe. Rozdzielenie funkcji absorpcji i emisji światła między dwoma elementami nanocentrum luminescencyjnego, znacznie zmniejszała straty podczas ponownego wchłaniania promieniowania. Rys. Zasada działania ogniwa z kropkami kwantowymi (Kropki kwantowe absorbują promieniowanie i transportują je przez matrycę z tworzywa sztucznego PMMA do ogniw PV na krawędziach) Tak działające kropki kwantowe umieszczono w przezroczystej polimerowej płycie z polimetakrylanu metylu (PMMA) o wymiarach odpowiadających standardowym szybom. Pomiary spektroskopowe nie wykazały praktycznie żadnych strat podczas przesyłu promieniowania na odległości kilkudziesięciu centymetrów. Ponadto, badania z zastosowaniem symulowanego promieniowania słonecznego dowiodły, że urządzenie posiadało wydajność pochłaniania fotonów na poziomie około 10% (dla oka ludzkiego płyta z kropkami kwantowymi była przezroczysta jak tradycyjna szyba). Perowskity – to materiały o specyficznym ułożeniu siatki krystalicznej. Ich właściwości nie determinuje skład, lecz struktura ułożenia atomów. Nazwę zawdzięczają rosyjskiemu geologowi Lwu Perowskiemu, którego znajomy, Niemiec Gustav Rose, jako pierwszy sklasyfikował ten charakterystyczny układ atomów na podstawie tytanianu wapnia występującego w skałach Uralu. Wydarzyło się to ponad sto lat temu i od tamtej pory wszystko, co ma taki sam układ atomów jak tytanian wapnia, jest nazywane perowskitem. Jak nietrudno się domyślić, jest bardzo dużo różnego typu perowskitów. Jedne występują w naturze (np. w skałach, magmie), inne można wytwarzać w laboratoriach w procesie syntezy chemicznej. Najbardziej interesujące są tzw. perowskity hybrydowe. Oznacza to, że są materiałem po części organicznym, a po części nieorganicznym. Takie połączenie w naturze występuje bardzo rzadko i daje w rezultacie niezwykle unikalne właściwości. Perowskity są świetnymi pochłaniaczami światła. Lepszymi nawet niż dotychczasowy champion arsenek galu, który z kolei jest znacznie lepszy od najbardziej popularnego dzisiaj krzemu. Dzięki temu są w stanie pochłonąć światło w ultracienkich warstwach. Zmniejsza to przynajmniej trzykrotnie zużycie materiału niezbędnego do wyprodukowania takiego ogniwa. Jako że ów materiał wytwarzany jest w procesie syntezy chemicznej z bardzo tanich materiałów startowych, zasoby są, tak jak w przypadku krzemu, teoretycznie nieograniczone. Bardzo praktyczne jest również to, że ogniwa można wytwarzać w procesie mokrej chemii. To znaczy, że na przykład można taki perowskit po prostu nadrukować. Sprawność fotoogniw na bazie perowskitów dochodzi do 20%. Jednak nie to jest najcenniejsze, jest to bowiem materiał, który daje sie nakładać na niemal każdą powierzchnię. Wykorzystując tę technologię niedługo będziemy mogli wykonać fotoogniwo nie tylko na fragmencie dachu ale wręcz na całym dachu. Ogniwem będzie pokryta perowskitem dachówka, czy cała szyba w oknie. Ogniwem może być obudowa laptopa, kadłub jachtu, itp. możliwości są niemal nieograniczone. Rozwojem technologii zajmuje się polska firma Saule Technologies. Rys. Struktura krystaliczna perowskit Fotowoltaika będzie obowiązkowa - ma to przyspieszyć dekarbonizację UE i jak najszybciej zmniejszyć jej zależność od importu rosyjskiego gazu i ropy Aby instalacja PV działała optymalnie, kierunek ustawienia paneli fotowoltaicznych powinien być południowy. Odchylenie od tego kierunku będzie miało wpływ na ilość uzyskiwanej energii. Kierunek ustawienia wschód-zachód jest korzystny z punktu widzenia autokonsumpcji, ponieważ produkcja energii elektrycznej w większym stopniu pokrywa się z zapotrzebowaniem budynku. Kierunek ustawienia paneli wschód-zachód wymaga jednak nieco innego podejścia przy doborze wielkości mocy falownika. Spis treściKierunek ustawienia paneli fotowoltaicznych - południeKierunek ustawienia paneli fotowoltaicznych - wschód-zachódDobór falownika w zależności od kierunku ustawienia paneli Instalacja fotowoltaiczna powinna zostać zamontowana na połaci południowej, pozwoli to na jej najbardziej optymalną pracę. Odchylenie od tego kierunku będzie miało wpływ na ilość uzyskiwanej energii. Dla większości kątów pochylenia dachu odchylenie od południa o 30° powoduje straty w stosunku do położenia optymalnego poniżej 2%, w przypadku 60° strata wyniesie już 10%, a więc stosunkowo dużo. Jedynie dla dachów o kącie pochylenia do 15° odchylenie od kierunku optymalnego na południe nie będzie miało znaczenia. Kierunek ustawienia paneli fotowoltaicznych - południe Dla instalacji skierowanej na południe stosunek mocy generatora fotowoltaicznego do mocy falownika powinien się zawierać w zakresie od 72 do 118%. Dla takiego przedziału doboru mocy inwertera roczna produkcja systemu PV jest niemal identyczna, a różnice nie przekraczają 1,1%. Wartość uzysku energii z instalacji PV o mocy 6 kWp skierowanej na południe, w zależności od doboru falownika Moc falownika [kW] Stosunek mocy generatora PV do falownika [%] Produkcja roczna [kWh] Strata względem optymalnie dobranego falownika [%] Uzysk [kWh/kWp] 8,2 72 6185 0,6 1031 7 84 6204 0,3 1031 6 98 6220 optimum 1037 5 118 6187 0,5 1031 4,5 131 6111 1,8 1019 3,7 159 5835 6,2 972 3 196 5405 13,1 901 źródło: Forum-Fronius Kierunek ustawienia paneli fotowoltaicznych - wschód-zachód W przypadku gdy kalenica wyznacza kierunek południowy, do dyspozycji pozostaje połać wschodnia i zachodnia. Takie rozwiązanie jest wbrew pozorom korzystne z punktu widzenia autokonsumpcji, ponieważ produkcja energii elektrycznej w większym stopniu pokrywa się z zapotrzebowaniem budynku, a więc może być ona zużywana na bieżąco. Instalacja wschód-zachód wymaga nieco innego podejścia przy doborze wielkości mocy falownika. Stosunek mocy generatora fotowoltaicznego do mocy falownika musi być większy niż w poprzednim przykładzie i przekracza 130%, a czasem dochodzi nawet do 160%. Możliwość tak dużego przewymiarowania mocy modułów wynika ze specyfiki pracy tego typu instalacji. W godzinach porannych będą występowały lepsze warunki dla modułów zlokalizowanych na połaci wschodniej. Wraz ze zmianą położenia słońca w południe warunki pracy będą zbliżone dla obu połaci dachu i oczywiście dalekie od optymalnych. Z kolei w godzinach popołudniowych bardziej sprzyjające warunki będą występować dla modułów zlokalizowanych na połaci zachodniej. System nigdy nie osiągnie pełnej mocy zainstalowanej na obu połaciach. Wartość uzysku energii z instalacji PV o mocy 7,2 kWp skierowanej na wschód-zachód, w zależności od doboru falownika Moc falownika [kW] Stosunek mocy generatora PV do falownika [%] Produkcja roczna [kWh] Strata względem optymalnie dobranego falownika [%] Uzysk [kWh/kWp] 8,2 72 5172 0,6 862 7 84 5184 0,3 864 6 98 5198 optimum 866 5 118 5196 0 866 4,5 131 866 3,7 159 866 3 196 5147 1 858 źródło: Forum-Fronius Dobór falownika w zależności od kierunku ustawienia paneli Dla instalacji, w której większość modułów fotowoltaicznych znajduje się w optymalnym położeniu, na południowej połaci dachu, a pozostałe na połaci o kierunku wschodnim lub zachodnim, stosunek mocy modułów do mocy falownika powinien się mieścić w zakresie 80–125%. Przewymiarowanie nie może być w tym wypadku tak duże jak dla instalacji wschód-zachód, ponieważ zbyt często dochodziłoby do straty nadwyżek energii, która nie byłaby przetwarzana powyżej mocy nominalnej falownika. Moduły skierowanie na południe będą w stanie pracować optymalnie przez większość dnia, te ustawione na wschód – rano, a na zachód – po południu. Z ekonomicznego punktu widzenia nie ma żadnego uzasadnienia dla przewymiarowania mocy falownika względem mocy generatora PV, ponieważ wraz ze wzrostem ich mocy, rośnie również koszt zakupu (niekiedy skokowo), a nie przekłada się to na odpowiednio wyższe uzyski energii. Cena inwerterów mniejszej mocy (3–6 kW) wynosi kilkaset złotych, przy większych może przekroczyć 1000 zł, a to już zauważalnie podwyższy koszty inwestycyjne i wydłuży okres zwrotu nakładów na instalację PV. Dlatego nie należy dobierać falownika większej mocy z myślą o późniejszej rozbudowie generatora PV, w przyszłości należy po prostu ponownie optymalnie dobrać urządzenie.

płytki krzemowe do ogniw słonecznych