Moduły fotowoltaiczne są coraz sprawniejsze. Kolejne firmy prezentują najnowsze produkty oparte na wysokowydajnych ogniwach typu HJT czy IBC. Jednocześnie wprowadzenie przez producentów modułów o coraz większych rozmiarach przyczynia się do tego, że na rynku mamy moduły o coraz większej mocy maksymalnej.

Zwiększanie sprawności konwersji nowych modułów jest możliwe dzięki zastosowaniu coraz nowocześniejszych i wydajniejszych ogniw fotowoltaicznych (HJT< IBC) oraz udoskonalaniu technologii produkcji samych modułów. W tym drugim przypadku albo stosowane są coraz lepsze materiały (takie jak na przykład polimery zabezpieczające) albo wprowadzane są modyfikacje w budowie modułu PV.

Badania wpisujące się w ten drugi nurt prowadzone są także w naszym kraju. W Instytucie Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN realizowany jest - we współpracy z firmą Helioenergia – doktorat, którego celem jest opracowanie specjalnej modyfikacji przestrzeni między ogniwami w module PV, tak aby część padającego promieniowania skierować na  powierzchnię czynną ogniwa. To w konsekwencji powinno zwiększyć moc maksymalną modułu. Więcej na ten temat w artykułach: Nowe możliwości wykorzystania nieaktywnej powierzchni modułów PV cz. 1 i cz. 2 zamieszczonych na naszym portalu.

IMIM PAN to nie jedyny ośrodek, w którym prowadzone są tego typu badania. Zespół polskich naukowców z Uniwersytetu Rzeszowskiego oraz Politechniki Rzeszowskiej pod kierunkiem Pani Profesor Małgorzaty Pociask-Biały pracuje nad powłokami, które mogą podnieść dobową sprawność modułów PV.

Istotą proponowanego rozwiązania jest wprowadzenie do typowego modułu fotowoltaicznego dodatkowej warstwy w postaci polimerowej powłoki z pęcherzykami powietrza zamkniętymi pomiędzy dwiema warstwami folii. Przestrzenie z zamkniętym w nich powietrzem miałyby cechy mikro koncentratorów promieniowania słonecznego. W przeciwieństwie do rozwijanych obecnie układów moduł-koncentrator układ znajdzie się wewnątrz modułu tuż nad ogniwami pomiędzy dwiema warstwami polimeru zabezpieczającego tj. EVA. Planuje się także rozwiązania zmodyfikowane, w których układ mikrosoczewek znajdzie się bezpośrednio nad ogniwami. Naukowcy są w trakcie dalszych badań, które pomogą określić w bardziej precyzyjny sposób pozycję układu, tak by wzrost ilości energii był optymalny.

Rys. 1 Pierwsze badania folii o grubości 30 um ze specjalnie modyfikowaną powierzchnią

Grubość zastosowanej folii to około 30 µm. Taka wartość zapewni odpowiednią wytrzymałość przy niewielkiej absorpcji promieniowania. Jako materiał zastosowano kompozyt na bazie polietylenu. Folie tego typu stosowane były już w modułach, w których przednia warstwa zabezpieczająca w postaci szkła hartowanego zastępowana jest plastikiem. Folia polietylenowa pozwala na lepszą izolację elektryczną ale zwiększa też absorpcję promieniowania padającego na moduł. Samo zastosowanie folii zawsze obniża sprawność modułu. W proponowanym rozwiązaniu, wspomniana absorpcja, także jest największym problemem. Jeśli jednak straty spowodowane umieszczeniem dodatkowych folii będą mniejsze, niż zyski z działania koncentratora, to sumaryczny bilans energetyczny może być dodatni a tym samym moduł będzie produkował nieco więcej energii. Z informacji przekazanych przez lidera projektu wynika, że zjawisko absorpcji jest widoczne, jednak układ rozszerza zakres pracy modułów krzemowych, w najgorszym przypadku o 18 minut na dobę, a w najlepszym o 90 minut na dobę, natomiast prąd zwarciowy faktycznie maleje. Okazuje się, że końcowy wynik to zwiększenie ilości energii wyprodukowanej przez moduł o 1,2%. Wartość taka wydaje się bardzo mała, jeżeli jednak opisany efekt utrzyma się przez wiele lat pracy modułu, a koszt materiału będzie odpowiednio niski, projektowany proces może zapewnić wymierne korzyści.

Trwałość proponowanego rozwiązania jest, obok absorpcji promieniowania, drugim największym wyzwaniem. Dlatego też, obecnie nowe moduły przygotowywane są do testów starzenia światłem UV. Procedura jest długotrwała i na ostateczne wyniki trzeba jeszcze poczekać. Jeśli będą zadawalające, podjęte zostaną starania nad wytworzeniem pełnowymiarowego modułu PV i wdrożeniem technologii do produkcji. Przygotowanie linii wytwarzającej układy folii nie powinno trwać więcej niż 6-10 tygodni, gdyż wszystkie inne etapy produkcji modułów PV są identyczne, jak w produkcji seryjnej.

Planowane są także dalsze badania, które powinny dać odpowiedź na pytanie czy polimer EVA można zastąpić innym bardziej korzystnym dla tego konkretnego rozwiązania? Ten rodzaj badań może być już wykonywany w firmie, która podejmie się wdrożenia opracowanego rozwiązania.

Projekt otrzymał dofinansowanie w ramach trzeciego naboru do Programu grantowego Podkarpackiego Centrum Innowacji, obecnie trwają pracę nad jego komercjalizacją. Pierwszy etap prac zakończył się 30 listopada 2022 roku. Od tego dnia posiada ochronę prawną dzięki zgłoszeniu patentowym. 12 maja 2023 projekt i jego wyniki zostały ostatecznie zaopiniowane pozytywnie do finansowego rozliczenia i stąd w wielu mediach pojawiła się informacja o nich. Uniwersytet Rzeszowski uzyskał środki na sfinansowanie badań, którym przewodniczyła Małgorzaty Pociask-Biały i to ta uczelnia jest stroną, która zwracała się o ochronę patentową powłoki.

W artykule wykorzystano informacje przekazane przez dr hab. inż. Małgorzatę Pociask-Biały z Uniwersytety Rzeszowskiego.