W ostatnim czasie opublikowaliśmy na naszym portalu serię artykułów na temat problemu rosnącej konsumpcji srebra w przemyśle fotowoltaicznym („Rosnący popyt na srebro w fotowoltaice – problemy, trendy, innowacje” – cz. 1 i 2 oraz „Kolejny wzrost konsumpcji srebra w przemyśle fotowoltaicznym”).

Problem ten ściśle związany z faktem, iż podaż srebra na świecie utrzymuje się od lat na podobnym poziomie a konsumpcja, w wielu branżach, bardzo szybko rośnie. Nie inaczej jest w przemyśle fotowoltaicznym. Jednocześnie pojawiło się wiele pytań o to dlaczego i w jakiej ilości potrzebne jest srebro wytwarzania ogniw PV?

Aby odpowiedzieć na pierwsze pytanie należy przypomnieć, jak skonstruowane jest typowe ogniwo fotowoltaiczne. Mówiąc typowe ogniwo mamy na myśli takie, które jest najbardziej powszechne na rynku. Na dzień dzisiejszy jest to ogniwo typu PERC. Posiada ono  aktywną przednią powierzchnię (a w przypadku ogniw bi-facial także aktywną tylną) w tym sensie, że padające na nią promieniowanie słoneczne konwertowane jest na energię elektryczną. Aby móc tak wytworzoną energię przekazać do obwodu zewnętrznego (odbiornika) konieczne są elektrody, dodatnia i ujemna.  Obie wytwarza się na przedniej i tylnej powierzchni ogniwa. Obie wykonywane są, metodą sitodruku, z użyciem pasty metalowej na bazie srebra (rys. 1).

Rys. 1. Schemat przekroju poprzecznego ogniw z rodziny PERC [1]

Srebro jest metalem, który bardzo dobrze przewodzi prąd tym samym pozwala na wykonanie elektrod o niskiej rezystancji szeregowej. Podobne własności ma złoto i miedź ale srebro jest  tańsze od złota oraz w przeciwieństwie do miedzi nie powoduje degradacji parametrów ogniwa podczas wieloletniej eksploatacji. Dodatkowo pozwala na produkcję past, które można nanosić na powierzchnię ogniwa metodami sitodruku i wypalać w piecach taśmowych o wysokiej przepustowości.

Wybór metody sitodruku jest jednym z powodów, dla których potrzeba znacznych ilości srebra do wykonania elektrody na pojedynczym ogniwie PV. Sitodruk ma wiele zalet, jest łatwy do implementacji na linii produkcyjnej, pozwala na osiągnięcie wysokich przepustowości produkcji przy zastosowaniu stosunkowo tanich materiałów, takich jak sita czy rakle. Ma też swoje ograniczenia a największym z nich jest problem z wykonywaniem ścieżek o bardzo małej szerokości, czyli takiej liczonej w mikrometrach. Pierwsze komercyjne ogniwa miały ścieżki zbierające przedniej elektrody ogniwa o szerokości około 150 µm. W ciągu ostatnich 20 lat nastąpił duży postęp w zmniejszaniu szerokości pojedynczej elektrody z około 120 μm w 2005 roku przez około 60 µm latach po 2010 aż po 19 µm w roku 2019 (rys. 2) [2]. Wyniki te osiągnięto w skali laboratoryjnej. W przemyśle obecnie limitem jest szerokość na poziomie 30 µm.  

Rys. 2. Przekrój poprzeczy pojedynczej ścieżku przedniej elektrody metalowej ogniwa PV [2]

Prognozy zawarte w najnowszej 14 edycji raportu ITRPV jasno wskazują, że celem jest właśnie przekroczenie bariery 20 µm [3, 4].

Rys. 3. Najnowsza prognoza dotycząca zmiany szerokości ścieżek elektrody metalowej ogniwa PV [3]

Ma to nastąpić za około pięć lat jednak biorąc pod uwagę, że w skali laboratoryjnej jest to osiągalne, można przypuszczać, że stanie się to wcześniej. Jednocześnie należy pamiętać, że ciągłe zmniejszanie szerokości elektrody to nie tylko kwestia nowocześniejszych sit i past, które pozwolą na taki wydruk, ale także zachowanie na obecnym poziomie rezystancji szeregowej elektrody. Zadanie to jest o tyle trudne, że rezystancja zależy między innymi od pola powierzchni przekroju poprzecznego które maleje wraz ze zmniejszaniem się szerokości elektrody. Ponadto optymalizując geometrię ścieżek elektrody, należy zawsze brać pod uwagę jej wpływ na parametry elektryczne gdzie potrzebny jest kompromis między zacienieniem powierzchni aktywnej ogniwa, rezystancją szeregową i zużyciem Ag. Dlatego dalsze zmniejszanie szerokości elektrod staje się coraz większym wyzwaniem. Dodatkowo, aby wydrukować ścieżkę elektrody o tak małej szerokości potrzeba past o niskiej lepkości. Z kolei niska lepkość przyczynia się do „rozlewania się” pasty na płytce a proces ten prowadzi do  zwiększenia szerokości kosztem wysokości.

Mając na względzie wszystkie powyższe informacje należy zdać pytanie: czy w takim razie w ciągu najbliższych kilku, kilkunastu lat czeka branżę fotowoltaiczną kryzys związany z brakiem dostępności odpowiedniej ilości srebra potrzebnej do produkcji ogniw? Z jednej strony, ogromna dynamika wzrostu produkcji ogniw PV jest faktem. Wydaje się, że trend ten się utrzyma a tym samym nie możemy liczyć na spadek, a nawet na ustabilizowanie się popytu na srebro w fotowoltaice. Z drugiej, producenci doskonale znają problem i podejmują szereg działań aby do kryzysu nie dopuścić. Pierwszym z nich są opisane powyżej badania i wdrożenia mające na celu zmniejszenie konsumpcji srebra przez zmniejszanie wymiarów geometrycznych elektrod (przy zachowaniu parametrów elektrycznych ogniw). Drugim, kierunkiem przeciwdziałania są bardzo intensywne badania nad zastąpieniem srebra innym metalem. Najczęściej wymieniany kandydat jaki może zastąpić srebro jest jeden - miedź. Natomiast sposobów w jaki będzie wykonywana elektroda ogniwa na bazie miedzi jest kilka. Więcej o możliwości zastąpienia srebra miedzią oraz osiągnieciami naukowców z Fraunhofer ISE w kolejnym artykule pt. „Czy miedź zastąpi srebro przy produkcji przedniej elektrody ogniwa PV”.

W artykule wykorzystano materiały własne autora oraz dane z artykułów:

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. Innovative Fine-Line Screen Printing Metallization Reduces Silver Consumption for Solar Cell Contacts, PRESS RELEASE, FRAUNHOFER INSTITUTE FOR SOLAR ENERGY SYS TEMS ISE, September 06, 2019, Page 1 - 4
3. “International Technology Roadmap for Photovoltaic (ITRPV)”, 2022 Results 14. Edition,
   April 2023
4. Wenzel T., et al. , Progress with screen printed metallization of silicon solar cells - Towards 20 μm line width and 20 mg silver laydown for PERC front side contacts, Solar Energy Materials and Solar Cells, Volume 244, 15 August 2022, 111804