Typowe komercyjne moduły fotowoltaiczne zawierają w swej konstrukcji przednią hartowaną szybę, która zabezpiecza ogniwa przed negatywnym wpływem środowiska oraz jest elementem nośnym dla całego modułu fotowoltaicznego (PV). Jest wiele czynników, które mogą prowadzić do spadku wydajności modułów PV. Jednym z nich jest zjawisko odbicia części promieniowania od powierzchni szkła.

Innym czynnikiem są pojawiające się z czasem zabrudzenia, które ograniczają dostęp światła do powierzchni ogniw PV. Czynników takich jest znacznie więcej, jednakże te dwa wymienione wydają się być kluczowe ze względu na ich wpływ na wydajności modułów PV. Obecnie w Polsce prowadzone są badania nad pokryciami wielofunkcyjnymi szyb fotowoltaicznych. Badania nad opracowaniem takich pokryć prowadzone są w Politechnice Śląskiej pod kierownictwem profesora Pawła Karasińskiego.

Temat nie jest zupełnie nowy, bo pierwsze, bardzo obiecujące wyniki przedstawiono już w 2017 roku.

Obecnie prowadzone są prace, będące rozwinięciem tych badań a ich celem jest opracowanie wielofunkcyjnych pokryć szyb PV. Zakłada się, że pokrycia te będą wykazywały właściwości antyrefleksyjne ARC (Anti-Reflection Coating) w zakresie spektralnym silnej absorpcji modułu PV, jak również będą jednocześnie posiadały właściwości samoczyszczące. 

Pokrycia o takich właściwościach mogą być jedno- lub wielowarstwowe. Pierwsze prace dotyczyły jedno- i dwuwarstwowych powłok antyrefleksyjnych wykonanych metodą zol-żel na podłożach krzemowych, gdyż aktualnie powszechnie stosowanymi są ogniwa krzemowe. Współczynnik odbicia od polerowanego krzemu to około 34% (średnio w zakresie pracy ogniwa). Oznacza to, że gdyby ogniwo wykonać na takiej właśnie płytce krzemowej bez dodatkowej obróbki powierzchni, to około 1/3 energii promieniowa byłaby bezpowrotnie tracona z powodu jej odbicia.

Odbicie światła można istotnie zmniejszyć teksturując powierzchnię krzemu lub wytwarzając na niej strukturę antyrefleksyjną (warstwę ARC) albo stosując jednocześnie oba rozwiązania. Obecne ogniwa wytwarzane na płytkach z krzemu monokrystalicznego mają precyzyjnie wykonaną teksturę z użyciem kąpieli zasadowych. Dzięki zjawisku anizotropii szybkości trawienia krzemu o różnej orientacji krystalograficznej, na powierzchni krzemu powstaje struktura składająca się z małych piramid (wielkości rzędu kilku mikrometrów), która znacząco zmniejsza odbicie. Jako warstwę antyrefleksyjną wykorzystuje się najczęściej azotek krzemu, tlenek krzemu albo warstwy złożone.

Prace naukowców z Gliwic dotyczyły jedno- i dwuwarstwowych struktur antyrefleksyjnych wytwarzanych metodą zol-żel i techniką dip-coating na podłożach krzemowych. Metoda zol-żel jest to chemiczny sposób wytwarzania materiałów z fazy ciekłej a jej nazwa pochodzi od nazwy etapów procesu syntezy. Substratami wyjściowymi w metodzie zol-żel są na ogół alkoholany metali bądź niemetali tlenków, które są syntezowane. W procesie hydrolizy powstaje zol, czyli zawiesina cząstek ciała stałego w cieczy. Cząstki te następnie w procesie kondensacji łączą się. Gdy wszystkie ulegną połączeniu i wypełnią całe naczynie, to taki stan nosi nazwę żelu. Powstała w ten sposób cząstka ma bardzo rozbudowaną strukturę a gdy jest ona wypełniona alkoholem, zastosowanym jako czynnik homogenizujący, to taki stan nazywa się alkożelem. Natomiast gdy jest wypełniona powietrzem, to jest to aerożel. 

Sama metoda zol-żel polega, najogólniej rzecz ujmując, na przygotowaniu zolu poprzez hydrolizę i kondensację dobranych prekursorów. Następnie materiał jest nakładany na wybrane podłoże z zastosowaniem odpowiedniej metody. Może to być metoda dip-coating, polegająca na zanurzeniu podłoża w zolu a następnie na kontrolowanym jego wynurzaniu. Dla mniejszych podłoży zastosowanie może mieć metoda spin-coating, polegająca na rozwirowaniu uprzednio naniesionego na podłoża zolu. Po wytworzeniu warstwy jest ona wygrzewana, w wyniku czego następuje utrwalenie jej parametrów.

Przedmiotem dotychczasowych badań były struktury złożone z podłoża krzemowego i z wytworzonej na nim struktury antyrefleksyjnej. Struktura jednowarstwowa zbudowana jest z warstwy ditlenku tytanu TiO2 (TiO2/Si) a struktura dwuwarstwowa z warstw ditlenku tytanu
i ditlenku krzemu (SiO2/TiO2/Si). Analiza teoretyczna dotyczyła optymalizacji współczynników załamania i grubości warstw (SiO2, TiO2) [1]. Do obliczeń stosowano metody macierzowe. 

Warstwy o wymaganych grubościach wytwarzano ustalając odpowiednie szybkości wynurzania podłoży krzemowych z zoli. Grubości warstw i ich współczynniki załamania mierzone były elipsometrem monochromatycznym a widma odbiciowe rejestrowane były spektrofotometrem w zakresie od 200 do 1100 nm. Charakterystyki współczynnika odbicia dla zoptymalizowanej struktury SiO2/TiO2/Si pokazano na rysunku 1. 

Rys. 1. Charakterystyki odbiciowe zoptymalizowanej struktury SiO2/TiO2/Si i krzemu [1]

Dla struktury jednowarstwowej osiągnięto ważony współczynnik odbicia fotonów Rw 9%, natomiast dla struktury dwuwarstwowej osiągnięto Rw<4%. Przy czym, jak podkreślają autorzy, osiągnięto doskonałą zgodność wyników analizy teoretycznej z wynikami eksperymentalnymi. Co więcej, ważone współczynniki odbicia są bliskie minimalnym wartościom teoretycznym. Możliwe to było dzięki wykorzystaniu zalety metody zol-żel, polegającej na możliwości dostrajania współczynnika załamania do określonego wymagania.

Jednak obecnie, w przemyśle stosowane są inne metody wytwarzania warstw ARC na ogniwie PV. Uzyskiwane rezultaty są bardzo dobre a skalowalność i powtarzalność wyników tak dobra, że metody zol-żel na razie ich nie zastąpią. 

Natomiast warstwy opracowane i zbadane w Gliwicach mogą być także stosowane na szkle, czyli na przykład na szybie modułu PV. W tym obszarze także istnieją komercyjne rozwiązania, które są stosowane przez producentów szkła fotowoltaicznego. Jednak to, co wyróżnia opracowane warstwy to możliwość uzyskania jeszcze niższego ważonego współczynnika odbicia poprzez wprowadzenie kolejnych warstw do struktury antyrefleksyjnej. Ponadto warstwy mogą być hydrofobowe. To z kolei powoduje, że będą wykazywać własności samoczyszczące. W chwili obecnej prowadzone są badania na próbkach o wymiarach 76 x 26 mm2 (rys. 2). 

Rys. 2. Prototypowe warstwy antyrefleksyjne wykonane metodą zol-żel na szkle

W czerwcu 2023 roku udało się uzyskać warstwy na szkłach o średnicy 2 cali. Skalowanie do większych wymiarów wydaje się być kwestią czasu. Równolegle prowadzone są badania starzeniowe mające pokazać, czy takie warstwy są odpowiednio trwałe, gdy znajdują się przez długi czas w warunkach zewnętrznych. 

W artykule wykorzystano informacje od dr hab. inż. Pawła Karasińskiego oraz dane z artykułu: 

1. Marcin SKOLIK, Paweł KARASIŃSKI, Jedno- i dwuwarstwowe struktury antyrefleksyjne wytwarzane metodą zol-żel do zastosowań w fotoogniwach krzemowych, PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 93 NR 8/2017, doi:10.15199/48.2017.08.19