Nowe moduły fotowoltaiczne, dostępne obecnie na rynku, są z roku na rok coraz większe.

Czasem jest to spowodowane zwiększeniem ilości ogniw PV w jednym module ale często związane jest to z tym, iż producenci stosują ogniwa fotowoltaiczne o coraz większej powierzchni.

Trend ten utrzymuje się od wielu lat i co jakiś czas kolejny rozmiar płytki krzemowej (na bazie której wytwarza się ogniwo PV) staje się nowym standardem rynkowym. Jest to szczególnie interesujące zarówno dla producentów, jak i odbiorców modułów PV. Wynika to z faktu, iż pierwszym pozwala właściwie konfigurować linie technologiczne a drugim inwestować w najnowsze rozwiązania.  

Obecnie standardem wielkości ogniw słonecznych stosowanych do produkcji modułów PV są płytki krzemowe o rozmiarach M6 i M10. Czy w niedługim czasie zastąpi je rozmiar M12? 

Żeby odpowiedzieć na to pytanie trzeba wyjaśnić kilka związanych z nim kwestii:

• Jaki jest typoszereg wymiarów płytek krzemowych ?
• Dlaczego produkuje się płytki o coraz większych rozmiarach ?
• Jakie problemy wiążą się ze stosowaniem do produkcji ogniw i modułów PV coraz większych płytek ?

Typoszereg rozmiarów płytek krzemowych

Ogniwa fotowoltaiczne są przyrządami półprzewodnikowymi i jako takie produkowane są z użyciem materiałów i technologii, jakie stosuje się przy produkcji innych elementów elektronicznych. Pierwszym i najważniejszym materiałem jest tu krzem. Najczęściej jest to krzem monokrystaliczny w postaci płytek o typie przewodnictwa p lub n (p-type silicon lub n-type silicon). Płytki takie produkuje się z użyciem metody Czochralskiego. Mimo wielu modyfikacji nadal jest to proces, w efekcie którego uzyskujemy walec z czystego krzemu. Ma on określoną długość oraz średnicę. Ten drugi parametr jest szczególnie ważny, gdyż płytki krzemowe powstają w wyniku pocięcia tego walca na małe kawałki prostopadle do jego osi. Wraz z rozwojem technologii wytwarzania półprzewodników produkowane są walce o coraz większej średnicy. Także w przypadku krzemu monokrystalicznego dla przemysłu fotowoltaicznego uzyskiwane średnice walca krzemowego są coraz większe. Typoszereg wymiarów przedstawiono na rysunku 1. 

Jako bazowy można przyjąć rozmiar płytki 156 mm x 156 mm oznaczany jako M0. Co prawda wcześniej produkowano już ogniwa na płytkach o wymiarach 100 mm x 100 mm, czy nieco później 125 mm x 125 mm, to jednak masowa produkcja modułów PV na wielką skalę zaczęła się od ogniw (i płytek) o wymiarach właśnie 156 mm x 156mm. 

Rys. 1. Oznaczenia płytek krzemowych i ich rozmiary 

Ogniwa PV o wymiarach 125 mm x 125 mm dominowały na rynku w latach od 2001 do 2006. Następnie pojawił się format M0 tj. 156 mm x 156 mm i był najpopularniejszy do roku 2012. W kolejnych latach standardem staje się rozmiar M2. Obecnie standardem są płytki M6 oraz wypierające je z rynku płytki M10. Producenci oferują już płytki o wymiarach M12 a nawet M12+.

Dlaczego produkuje się płytki o coraz większych rozmiarach

W pierwszej kolejności dzieje się tak dlatego,  że pozwala na to technologia. Producenci płytek krzemowych - dla szeroko pojętej mikroelektroniki od lat zwiększali średnicę produkowanych walców krzemowych. Po drugie wyciągnięcie walca (tak przebiega proces Czochralskiego) o większej średnicy w jednym procesie jest korzystniejsze ekonomicznie. W przypadku fotowoltaiki jest podobnie. Zarówno koszty wytworzenia pojedynczej płytki, jak i ogniwa liczy się w przeliczeniu na 1Wp a, w ujęciu technologicznym na pojedynczą sztukę. Dlatego im większa płytka tym mniejsze koszty wytworzenia 1Wp mocy w gotowym ogniwie. Wzrost wymiarów pojedynczej płytki może wydawać się niewielki (Rysunek 2) szczególnie dla rozmiarów od M0 do M6.  

Rys.2. Przekrój poprzeczny płytek o różnych wymiarach (w mm) oraz oznaczenie tych wymiarów

Jednak to jak bardzo wzrósł rozmiar ogniwa, najlepiej obrazuje wzrost ich pola powierzchni (rys. 3).  

Rys. 3. Pole powierzchni płytek krzemowych w mm2 dla różnych wielkości (kolor niebieski, wartości liczbowe – kolor czarny) oraz wzrost w procentach (kolor czerwony)

Dla ogniw o rozmiarach od M0 do M4 różnica pola powierzchni jest poniżej 10%. Natomiast ogniwo o rozmiarze M10 ma powierzchnię większą od M0 o 66%, a ogniwo o rozmiarze M12 aż o 83 %. Biorąc pod uwagę, że uzyskiwany prąd z pojedynczego ogniwa prawie liniowo zależy od jego powierzchni a moc jest iloczynem wartości napięcia i prądu (oraz współczynnika fill factor) to możliwa do uzyskania moc także będzie znacznie większa. Przykładowo w przypadku technologii, dla której ogniwo M0 osiąga moc maksymalną 4,6Wp, ogniwo o rozmiarze M10 osiągnie moc około 6,2 Wp. To pozwala na produkcję modułów o coraz większej mocy przy dalszej redukcji kosztów w przeliczeniu na 1Wp. 

Problemy związane ze stosowaniem do produkcji ogniw coraz większych płytek

Wydawać by się mogło, że skoro istnieją technologiczne możliwości wyprodukowania większych płytek krzemowych a większe płytki mogą przynieść oszczędności to rozmiary ogniw powinny coraz większe i to jak najszybciej. Niestety sytuacja jest bardziej skomplikowana. Większa płytka krzemowa to także wyzwania w cyklu produkcyjnym ogniwa, a większe ogniwo to kolejne problemy w cyklu produkcyjnym modułu PV. W obu przypadkach pewne procesy i aparatura są skonfigurowane pod konkretny rozmiar krzemu. Przykładem może być proces dyfuzji domieszki do płytki krzemowej. Odbywa się on w piecach dyfuzyjnych wyposażonych w rury kwarcowe o określonej średnicy. Kiedy chcemy stosować większe płytki trzeba wymienić piece na linii produkcyjnej a to jedne z najdroższych urządzeń. Podobnie jest z ogniwami, które przy produkcji modułów łączone są w szeregi za pomocą stringerów. Zastosowanie większych ogniw powoduje, że nie tylko mają one większy rozmiar, ale także muszą mieć więcej elektrod połączeniowych (bus bars) a to wymaga zakupu nowych, bardzo drogich urządzeń. Na koniec warto dodać, że większe ogniwa to także większy moduł (więcej w artykule: „Dlaczego moduły PV są coraz większe – trendy rynkowe”).  

Czy wymiary ogniw nadal będą rosły ? 

Pomimo wspomnianych problemów ten kierunek technologiczny wydaje się być nieunikniony. Jednak proces ten musi w końcu wyhamować. Już dzisiaj producenci modułów zwracają uwagę, że moduły do zastosowań prosumenckich nie mogą być już większe i cięższe. Nie chodzi tylko o koszty wynikające z dostosowania linii produkcyjnych ale także problemy z jakimi muszą się mierzyć instalatorzy. 

Zarówno polskie, jak i zagraniczne firmy produkujące moduły PV widząc trend do zwiększania wymiarów pytek krzemowych zaczynają rozdzielać produkcję na dwa obszary: dla prosumentów
i dużych instalacji naziemnych. Przykładem z rodzimego rynku jest firma Selfa, która dąży do tego aby mieć w ofercie takie właśnie dwa rodzaje modułów (Selfa premium 410 i 550 Wp). Podobnie lider rynku światowego firma Longi. Jej celem jest położenie nacisku na ograniczenie ilości oferowanych typów – a co za tym idzie wymiarów – modułów PV. Obecnie są to moduły o wymiarach 1134 mm x 1722 mm i 1134 mm x 2278 mm zbudowane na ogniwach M10. 

Wnioski są dwa. W przypadku ogniw do modułów dla prosumentów wymiary M10 oraz M12 czy M12+ to chyba standard na dłużej. W przypadku ogniw do modułów do budowy elektrowni fotowoltaicznych to nie jest jeszcze ostatnie słowo producentów płytek i ogniw.