Kolejne rekordy sprawności konwersji energii słonecznej na energię elektryczną dla ogniw fotowoltaicznych pokazują, jak szybko rozwija się ten sektor nauki i przemysłu. Są także dowodem na to, jak wielkie środki finansowe angażują w rozwój zarówno instytucje, jak i poszczególne firmy produkujące ogniwa.

Największe i najbardziej interesujące osiągnięcia dotyczą ogniw, które są sukcesywnie wprowadzane do masowej produkcji. To z kolei przekłada się na nowe, jeszcze sprawniejsze moduły fotowoltaiczne. Więcej o rekordowo sprawnym ogniwie krzemowym można przeczytać na naszym portalu w artykule: Nowy rekord sprawności krzemowego ogniwa słonecznego. Ogniwo o rekordowej sprawności wynoszącej 26,81% opracowała i wyprodukowała firma Longi, która jest światowym liderem w produkcji modułów fotowoltaicznych. Warto podkreślić, że podana sprawność dotyczy ogniwa IBC o powierzchni 274,4 cm2 i jest to powierzchnia całkowita ogniwa, tym samym mówimy o ogniwie o wymiarach 156,7 mm x 156,7 mm. Jest to rozmiar, który jeszcze do niedawna był standardem produkcyjnym dla wysokowydajnych modułów PV zbudowanych w oparciu o ogniwa PERC. Ponadto, trzeci najbardziej sprawny na świecie i do tego dostępny w sprzedaży, moduł Maxeon 6 firmy Sun Power nadal produkowany jest na bazie ogniw o wymiarach 166 mm x 166 mm. To, że dzisiaj najpopularniejsze na rynku są ogniwa o wymiarach 182 mm x 182 mm, czyli z typoszeregu M10, nie zmienia faktu, iż mówimy o ogniwie o dużej powierzchni. Stąd już prosta droga do jeszcze większych ogniw, takich jak M10 i M12. Warto przypomnieć, że poprzedni rekord sprawności w tej kategorii należał do firmy Kaneka i wynosił 26,7%, a pobity został w 2017 roku [1]. Intensywne prace badawczo-rozwojowe i wdrożeniowe wymagały okresu aż pięciu lat. Jeśli jednak popatrzymy na rozwój ogniw wykonanych w technologii TOPCon, która prawdopodobnie zastąpi ogniwa PERC, to dynamika zmian jest znacznie szybsza. W ostatnich miesiącach pojawiły się na rynku ogniwa wykonane w technologii TOPCon trzech producentów, których sprawność konwersji energii jest niewiele niższa od rekordowego ogniwa Longi wykonanego w technologii IBC. Firma Jollywood pokazała ogniwo TOPCon o sprawności 26,7%,  o powierzchni 182 mm x 182 mm [2]. Firma Trina Solar ogłosiła produkcję na masową skalę ogniwa TOPCon o sprawności 26% i powierzchni 210 mm x 210 mm [3]. Natomiast ostatnio DAS Solar zaprezentowała ogniwo TOPCon o sprawności 26,33% wykonane z użyciem płytek krzemowych o powierzchni 333,4 cm² [4] („Nowe rekordy sprawności ogniw wykonanych w technologii TOPCon”).

Tempo wdrażania kolejnych rekordów sprawności wygląda podobnie, jeśli popatrzymy na rankingi wydajności najlepszych modułów PV. W zestawieniu opublikowanym w lutym 2023 roku (więcej w artykułach: „Najsprawniejsze moduły PV – technologie i kierunki rozwoju cz.1., cz.2 i cz.3” oraz „Najsprawniejsze modułów PV – nowości rynkowe”) modułami o najwyższej sprawności wynoszącej 22,8% były produkty firm Longi i Maxeon. Zaledwie pół roku później - we wrześniu 2023 - w prezentowanym rankingu dochodzi do zmiany na trzech pierwszych miejscach. Na pierwszej pozycji pojawia się moduł firmy Aiko o sprawności aż 24%. To ogromny postęp uwzględniając obecne standardy i koszty związane z dopracowywaniem technologii. Na drugiej pozycji plasuje się moduł Longi, tyle że o sprawności podniesionej – względem poprzednika - o 0,4%. Podium zamyka moduł Mxeon o sprawności 23,0%. Należy podkreślić, że firma Sun Power (Maxeon) zapowiedziała w tym roku wprowadzenie do sprzedaży modułu Maxeon 7 o sprawności konwersji energii wynoszącej 24,7% [5]. Odział firmy w Singapurze ogłosił, że osiągnięta efektywność konwersji modułu na poziomie 24,7% dotyczy pełnowymiarowego panelu fotowoltaicznego Maxeon 7. Narodowe Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL) Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych potwierdziło te wyniki. Podobnie jak Maxeon 6 oraz rekordowy Longi, moduł Maxeon 7 oparty jest na ogniwach wyprodukowanych w technologii IBC (Interdigitated Back Contact). Ponadto producent podał, iż posiada pilotażową linię montażową Maxeon 7 na Filipinach i planuje zwiększenie jej mocy produkcyjnej do 500 MW [5].

Jak widać na powyższych przykładach, zarówno w produkcji wysokosprawnych ogniw jak i modułów PV, zbliżamy się do teoretycznej granicy sprawności wynoszącej 29,4 do 29,5% dla ogniwa jednozłączowego [6,7]. Ogniwa tego typu będą dominować na runku przez najbliższych (być może kilkanaście lat), ale rodzi się pytanie czy niecałe 30% sprawności to kres możliwości dla ogniw fotowoltaicznych ? Okazuje się że nie. 

W laboratoriach od wielu lat bada się, opracowuje i wytwarza wielozłączowe ogniwa fotowoltaiczne, których sprawność przekracza wspomniane 30%. Należy podkreślić, że mówimy o ogniwach, które wytworzono tylko w skali laboratoryjnej. Nie zmienia to faktu, iż dalsza redukcja kosztów energii pozyskiwanej przy użyciu systemów fotowoltaicznych może być związana z kolejną obniżką cen ogniw i modułów ale też z podnoszeniem sprawności ogniw. Ogniwo o wyższej sprawności, to przede wszystkim możliwość wyprodukowania modułu o większej mocy przy zachowaniu obecnych wymiarów. Kluczowy jest tu parametr mocy na powierzchnię. Wówczas nawet jeśli ogniwa o sprawności powyżej 30% będą droższe, to cena szyby, polimerów zabezpieczających, materiałów do łączenia ogniw i ramy pozostaną na tym samym poziomie a to pozwoli na obniżenie ceny mocy w systemie. 

Wielozłączowe ogniwa fotowoltaiczne (MJSC, ang. multijunction solar cells) są najbardziej obiecującą koncepcją zakładającą produkcję modułów o sprawności powyżej 30%. Ogniwa te składają się z wielu warstw półprzewodników o różnych wartościach przerwy energetycznej Eg. Dzięki takiej budowie powstaje układ warstw, z których każda absorbuje inną cześć widma promieniowania słonecznego. W ogniwie jednozłączowym to właśnie brak możliwości konwersji całego promieniowania przez ogniwo na bazie jednego półprzewodnika daje limit 29,5%. 

Podczas międzynarodowej konferencji „40th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition”, która odbyła się w Lizbonie w dniach od 18 do 22 września 2023 r., naukowcy z Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE oraz z NWO-Institute AMOLF zaprezentowali trójzłączowe ogniwo półprzewodnikowe na bazie ogniwa krzemowego o rekordowej sprawności 36,1 %. 

Na rysunku 1 przedstawiono charakterystykę prądowo-napięciową rekordowego ogniwa oraz jego najważniejsze parametry elektryczne. 

Rys. 1. Charakterystyka prądowo-napięciowa trójzłączowego ogniwa o sprawności konwersji energii 36,1%. Na charakterystyce podano układ półprzewodników, warunki pomiaru, powierzchnię ogniwa A oraz najważniejsze parametry elektryczne Jsc – gęstość prądu zwarcia, Voc – napięcie obwodu otwartego, FF- współczynnik wypełnienia charakterystyki I-V oraz η- sprawność. Źródło: Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, 1Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE

Więcej o tym trójzłączowym ogniwie w drugiej części artykułu. 

W artykule wykorzystano ogólnodostępne materiały oraz:

1. NREL - Best Research-Cell Efficiences Rev. 07-10-2023, https://www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/best-research-cell-efficiencies.pdf, https://www.nrel.gov/
2. https://www.pv-magazine.com/2023/04/12/jolywood-claims-26-7-efficiency-for-n-type-topcon-solar-cell/
3. https://www.trinasolar.com/en-glb/resources/newsroom/matrina-solar-n-type-i-topcon-advanced-technology-steps-world-stage-efficiency
4. https://www.das-solar.com/en/site/news_details/1156
5. https://www.pv-magazine.com/2023/06/02/maxeon-claims-24-7-efficiency-for-ibc-solar-panel/
6. Richter A, Hermle M, Glunz SW. Reassessment of the Limiting Efficiency for Crystalline Silicon Solar Cells. IEEE J. Photovolt. 2013; 3(4): 1184–91
7. Veith-Wolf BA, Schäfer S, Brendel R, Schmidt J. Reassessment of intrinsic lifetime limit in n-type crystalline silicon and implication on maximum solar cell efficiency. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2018; 186: 194–9
8. Patrick Schygulla, Ralph Müller, Oliver Höhn, Michael Schachtner, David Chojniak, Andrea Cordaro, Stefan Tabernig, Benedikt Bläsi, Albert Polman, Gerald Siefer, David Lackner, Frank Dimroth. Wafer-bonded two-terminal III-V//Si triple-junction solar cell with power conversion efficiency of 36.1 % at AM1.5g, 40th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 18-22 September 2023, Lisbon, Portugal