Najnowsze technologie wytwarzania ogniw fotowoltaicznych

Poniżej zaprezentowano najnowsze technologie ogniw i paneli fotowoltaicznych oferowanych przez wiodących producentów. Także wymieniono niektóre z bardziej popularnych i innowacyjnych paneli dostępnych na rynku.

Panele wykorzystujące najnowsze innowacje

Większość producentów paneli oferuje szereg modeli, w tym mono i polikrystaliczne (znane również jako multikrystaliczne) o różnych mocach znamionowych i warunkach gwarancji. Wydajność paneli słonecznych znacznie wzrosła w ciągu ostatnich kilku lat z powodu postępu w technologii wytwarzania ogniw fotowoltaicznych. Najczęściej spotykane technologie:

  • PERC – pasywacja emitera tylnej części ogniwa

  • Bifacial – Dwustronne panele i ogniwa

  • Multi Busbar szyny zbiorcze i druciane

  • Split panels cięte ogniwa

  • Dual Glass – bezramowe podwójne szkło

  • Shingled Cells – ogniwa na zakładkę (technologia gontowa)

  • IBC – Interdigitated Back Contact cells

  • HJT – ogniwa heterozłączowe

The 5 main solar panel types using the latest solar PV cell technologies

Te innowacje szczegółowo wyjaśniono poniżej. Oferują różne usprawnienia wydajności i zwiększoną niezawodność. Kilku producentów oferuje nawet do 30 lat gwarancji wydajności.

Sprawność panelu słonecznego

Tabela porównawcza wydajności paneli słonecznych

Tabela porównawcza wydajności paneli słonecznych - Kliknij

Wydajność paneli fotowoltaicznych jest jednym z kilku ważnych czynników, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze paneli. Wydajność znacznie wzrosła w ostatnich latach z około 15% do ponad 20%.

Ogniwa mono kontra polikrystaliczne

Od dawna trwa dyskusja która technologia ogniw jest lepsza. Ogniwa monokrystaliczne (mono), które są wycinane z pojedynczego walca krystalicznego, są bardziej wydajne, ale nieco droższe w produkcji. Do niedawna wyższe koszty były główną przyczyną wyboru technologii polikrystalicznej. Jednak w ciągu ostatnich 2 lat koszt płytek mono znacznie spadł. Większość dużych producentów wróciła do ogniw monokrystalicznych lub ogniw mono-lanych, które są ogniwem monokrystalicznym wykonanym przy użyciu polikrystalicznego procesu produkcyjnego.

Proces produkcji polikrystalicznych ogniw fotowoltaicznych jest zaskakująco prosty. Pierwszym krokiem jest krystalizacja krzemu w tyglu, dzięki czemu krzem zastyga w kształcie bloku. Topienie w temperaturze 1500 stopni C usuwa w pewnym stopniu zanieczyszczenia z krzemu. Bryła zostaje schłodzona i pocięta na cienkie plastry.

Podczas produkcji ogniw monokrystalicznych do tygla wrzuca się wysokiej czystości polikryształki krzemu, które zostają tam stopione w jedną masę o temperaturze 1500 stopni.

Do niej wprowadza się zarodek kryształu, pojedynczy blok krzemu, z którego powstanie cały kryształ. Powoli (cały proces trwa 48 godzin!) zarodek jest wyciągany, a właściwie to, co z niego wyrosło – duży, cylindryczny monokryształ krzemu. Podobnie jak blok polikrystaliczny, cylinder monokryształu zostaje pocięty na okrągłe plastry. Wcześniej stosowane okrągłe ogniwa powodowały ogromne straty powierzchni gotowego modułu dlatego zaczęto je przycinać do kształtu zbliżonego do kwadrata.

 Oba typy ogniw są nadal szeroko produkowane i bardzo niezawodne. Obecnie ogniwa monokrystaliczne są uważane za najlepszą technologię ze względu na wyższą wydajność.

Ogniwa monokrystaliczne mają na ogół kolor ciemno-czarny / niebieski z wzorem rombu, natomiast ogniwa poli lub wielokrystaliczne mają kwadratowe krawędzie, mają kolor niebieski i lekko teksturowane.

Ogniwa monokrystaliczne mają na ogół kolor ciemno-czarny / niebieski z wzorem rombu, natomiast ogniwa poli lub wielokrystaliczne mają kwadratowe krawędzie, mają kolor niebieski lub granatowy i są lekko teksturowane.

 

Dlaczego ogniwa monokrystaliczne są bardziej wydajne?

Zalety monokrystalicznego krzemu wynikają z jednolitej struktury krystalicznej wolnej od granic ziaren i mniejszych zanieczyszczeń dzięki unikalnemu procesowi Czochralskiego. Ogniwa mono mają również nieco lepszy współczynnik temperaturowy. Dla porównania ogniwa poli lub multikrystaliczne mają bardzo małe, ale określone granice kryształów, które mogą działać jak drobne bariery i zmniejszać wydajność. Ogniwa mutikrystaliczne, choć ogólnie bardzo niezawodne, mogą również być bardziej podatne na tworzenie mikropęknięć po kilku latach użytkowania.

Wydajność w wysokich temperaturach

Ogniwa monokrystaliczne mają nieco niższy współczynnik temperaturowy ogniwa. To powoduje nieco wyższą wydajność w podwyższonej temperaturze. Współczynnik temperaturowy mocy to ilość strat mocy wraz ze wzrostem temperatury ogniwa czyli powoli zmniejszają moc wyjściową wraz ze wzrostem temperatury ogniw. Wszystkie ogniwa fotowoltaiczne i panele są oceniane przy użyciu metody pomiaru STC.  Podczas pracy temperatura ogniwa jest o 20-30 ° C wyższa niż temperatura otoczenia. Strata mocy wyjściowej modułu zwykle wynosi 8-14%. Ogniwa monokrystaliczne mają niższe straty ze względu na średni współczynnik mocy około -0,38% na °C. Ogniwa polikrystaliczne mają średni współczynnik mocy -0,41% na °C.

PERC –  (z ang. Passivated Emitter and Rear Cell

W ciągu ostatnich dwóch lat technologia PERC stała się główną technologią dla wielu producentów zarówno w ogniwach mono jak i polikrystalicznych. PERC oznacza „ technologia pasywacji emitera tylnej części ogniwa”. Jest to bardziej zaawansowana struktura ogniw, wykorzystująca dodatkową warstwę dielektryka z tyłu ogniwa aby pochłonąć więcej fotonów światła i zwiększyć „ wydajność kwantową ”. W ogniwach typu PERC zwiększona jest  efektywność ze światła docierającego do dolnej warstwy płytki i po odbiciu wracającego fotonu z powrotem w głąb ogniwa. Poprzez to odbicie, fotony mają drugą szansę na wytworzenie prądu.

Technologia PERC pozwala zatem na ulepszenie procesu wychwytywania promieniowania słonecznego i zoptymalizowanie gromadzenia elektronów.

Lokalna tylna warstwa PERC AI-BSF (aluminiowe pole powierzchni tylnej) używana przez Trina SolarStandardowe Solarzelle vs. Q.ANTUM Solarzelle

Q Cells był pierwszym producentem, który wprowadził technologię PERC do komórek multikrystalicznych. Producent zastosował nazwę handlową Q.ANTUM. Technologia Q.ANTUM to taka turbosprężarka optymalizacyjna do konwencjonalnych poli- i monokrystalicznych ogniw słonecznych i modułów słonecznych. Moduł Q.ANTUM został opracowany w celu zapewnienia maksymalnej wydajności w rzeczywistych warunkach – nawet przy niskim promieniowaniu podczas zmierzchu i świtu oraz przy zachmurzonym niebie oraz w czyste upalne letnie dni, a także jesienią i zimą, gdy słońce jest nisko.

Vorteile von Q.ANTUM

Firma Jinko Solar niedawno pobiła rekord wydajności, uzyskując 22,04% ze standardowego rozmiaru wielokrystalicznego ogniwa krzemowego typu P . Ogniwa mono PERC są obecnie najpopularniejszym i najbardziej wydajnym typem ogniw. Większość producentów, w tym Winaico, Trina Solar , Q Cells, Jinko Solar, Risen i JA Solar i wielu innych korzystają z architektury PERC.

 

LeTID – problemy PERC

Typowe ogniwa PERC typu P mogą ulegać degradacji z powodu tak zwanego LeTID inaczej degradacji wywołanej światłem i podwyższoną temperaturą . Zjawisko LeTID jest podobne do dobrze znanej degradacji LID od światła. W LID  panel może stracić 2-3% znamionowej mocy wyjściowej w pierwszym roku ekspozycji na promieniowanie UV i 0,5% do 0,8% rocznie w kolejnych latach. Niestety straty z powodu LeTID mogą być wyższe bo nawet 6% w ciągu pierwszych 2 lat. Degradacja indukowana światłem jest tworzona przez niestabilne związki tlenowe boru. Można je znaleźć we wszystkich ogniwach słonecznych typu p. Jeśli strata nie zostanie w pełni uwzględniona przez producenta, może to prowadzić do słabej wydajności i potencjalnych roszczeń gwarancyjnych. Producenci podejmują działania mające na celu stabilizację związków tlenowych boru w celu zminimalizowania degradacji. Dzięki temu moduły słoneczne PERC są bardziej wydajne niż moduły, które nie są wyposażone w tą technologię.

Na szczęście ogniwa krzemowe typu N stosowane przez czołowych producentów są odporne na działanie LeTID. Również kilku producentów, którzy produkują ogniwa poli i mono PERC typu P, opracowało procesy mające na celu zmniejszenie lub wyeliminowanie LeTID, w tym Q Cells, które jako pierwsze zastosowało technologię anty-LeTID na wszystkich panelach.

 

Szyny Zbiorcze

Małe srebrne metaliczne palce w poprzek każdej komórki przenoszą prąd na 5 szyn taśmowych.

Szyny zbiorcze są cienkimi drutami lub wstążkami, które biegną po każdym ogniwie i przenoszą elektrony (prąd). Ponieważ ogniwa fotowoltaiczne stały się bardziej wydajne i generują więcej prądu, to ostatnich latach większość producentów zmieniła technologię z 3 szyn na 5 lub 6 szyn. Kilku producentów, takich jak LG energy , REC, Trina i Canadian Solar, poszło o krok dalej i opracowało systemy wieloprzewodowe wykorzystujące do 12 bardzo cienkich okrągłych drutów zamiast płaskich szyn zbiorczych. Kompromisem jest to, że szyny zaciemniają część ogniwa, więc mogą nieznacznie obniżyć jego wydajność, jeśli są zbyt duże. Dlatego należy je starannie zaprojektować. Z drugiej strony więcej szyn zbiorczych zapewnia niższy opór i krótszą ścieżkę przemieszczania się elektronów, co skutkuje wyższą wydajnością.

Jeśli mikropęknięcie komórki nastąpi z powodu uderzenia, dużych obciążeń lub ludzi chodzących po panelach, więcej szyn zbiorczych pomaga zmniejszyć ryzyko hot-spot (gorącego punktu), ponieważ zapewniają alternatywne ścieżki przepływu prądu.

 

 

 

 

Ogniwa LG Neon 2 z 12 okrągłymi szynami z drutu.W modułach LG neon 2, gdzie producent pierwszy zastosował 12 małych okrągłych szyno-przewodów, które LG nazwało technologią „Cello”, które oznacza “połączenie komórek o niskich stratach, niskich naprężeniach i wzmocnienia absorpcji. W zasadzie wieloprzewodowa technologia obniża opór elektryczny i dodatkowo zwiększa wydajność.

 

 

 

 

 

Ogniwa połówkowe 

Technologia półkomorowa Q CELLS

Inną najnowszą technologią jest użycie komórek o połówkowym lub pół-wymiarowym rozmiarze zamiast pełnowymiarowych komórek kwadratowych i przeniesienie skrzynki przyłączeniowej na środek modułu. To skutecznie dzieli panel słoneczny na 2 mniejsze panele, z których każdy działa niezależnie. Ma to wiele zalet. Przede wszystkim zwiększoną wydajność ze względu na niższe straty rezystancyjne szyn zbiorczych. Ponieważ każde ogniwo ma połowę wielkości, wytwarza połowę prądu przy tym samym napięciu. To oznacza, że ​​szerokość szyny zbiorczej można zmniejszyć o połowę, zmniejszając zacienianie ogniw i straty. Niższy prąd przekłada się również na niższe temperatury ogniw. To z kolei zmniejsza powstawanie gorących punktów z powodu miejscowego zacienienia, zabrudzenia lub uszkodzenia ogniwa.

Ponadto krótsza odległość przewodów od góry i od dołu do środka panelu zmniejsza straty i ogólnie poprawia wydajność. Zwiększa w ten sposób moc wyjściową panelu o podobnych rozmiarach nawet o 20 W. Inną zaletą jest to, że pozwala on na częściowe zacienienie górnej lub dolnej części panelu, i nie wpływa na moc wyjściową panela.

Panel Hanwha Q Cells Q.Peak Duo G5 wykorzystuje półcięte mono ogniwa PERC z 6 okrągłymi szynami z drutu

Panel Hanwha Q Cells Q.Peak Duo G5 wykorzystuje pocięte ogniwa mono PERC z 6 okrągłymi szynami

BiFacial Solar Modules

Dwustronna technologia jest dostępna od kilku lat. Jednak dopiero teraz  zaczyna być popularna, ponieważ koszty produkcji bardzo wysokiej jakości ogniw monokrystalicznych nadal maleją. Ogniwa dwustronne absorbują światło z obu stron panelu i we właściwej lokalizacji mogą wytworzyć do 27% więcej energii niż tradycyjne panele jednostronne. Dwustronne panele słoneczne zwykle wykorzystują szklany przód i przezroczysty tylny arkusz polimerowy. To pozwala na dotarcie odbitego światła do tylnej strony panela. Moduły bifacial mogą również wykorzystywać szklaną tylną stronę, która wydłuża żywotność modułu i może znacznie zmniejszyć ryzyko awarii. Niektórzy producenci oferują 30-letnią gwarancję wydajności na panele bifacial.

Dwufazowe moduły słoneczne pochłaniają również energię światła odbitego z tyłu ogniw - kredyt LG

Panele dwustronne zwykle były używane tylko w instalacjach naziemnych w miejscach, w których światło słoneczne jest łatwo odbijane od otaczających powierzchni. W szczególności w regionach mocniej zaśnieżonych. Chociaż udowodniono, że działają lepiej, gdy są zamontowane na ziemi na jasnych piaszczystych powierzchniach, to także są w stanie osiągnąć do 10% wyższą wydajność na jasnych dachach. Dodatkowo szkło zapewnia lepsze odprowadzanie ciepła z ogniwa poprawiając wydajność.

BiFacial szkło/szkło

Wielu producentów produkuje obecnie szklane panele, podwójne lub podwójne szkło/szkło, których nie należy mylić z technologią bifacial. Tylna szyba zastępuje tradycyjną białą folię elektroizolacyjną, która jest uważana za lepszą. Szkło jest bardzo stabilne, niereaktywne i nie starzeje się z czasem ani nie ulega degradacji pod wpływem promieniowania UV. Ze względu na dłuższą żywotność paneli szklanych niektórzy producenci, na przykład Trina Solar, oferują obecnie 30-letnią gwarancję wydajności.

Podwójne szklane panele słoneczne LONGi z 30-letnią gwarancją

Wiele dwustronnych paneli szklanych jest również bezramowych to znaczy nie ma aluminiowej ramy. Może to nieco komplikować montaż paneli, ponieważ wymagane są specjalne systemy mocowania. Jednak moduły bezramowe oferują szereg zalet. Najważniejszą jest efekt samooczyszczania. Moduły bez ramki nie zatrzymują brudu i kurzu zwłaszcza gdy jest bardzo mały kąt nachylenia. Są znacznie łatwiejsze do czyszczenia tylko przy pomocy wiatru i deszczu co skutkuje większą wydajnością. Jednak bez wytrzymałej aluminiowej ramy szklane panele, choć bardziej trwałe, nie są tak sztywne jak ramowe i mogą się wyginać, szczególnie przy montażu poziomym.

 

Ogniwa na zakładkę (technologia gontowa)

Ta nowa technologia polega na nakładaniu na siebie wąskich pasków ogniw podobnie jak gont na dachu. Standardowe ogniwa są cięte laserowo na 5 lub 6 pasków i układa się warstwami klejąc je ze sobą specjalnym przewodzącym klejem. Lekkie zachodzenie na siebie każdego paska ogniwa ukrywa pojedynczy szynoprzewód, który łączy paski ogniw. Ta unikalna konstrukcja optymalnie wykorzystuje powierzchnię panelu. Nie wymaga stosowania szyn zbiorczych, które częściowo zaciemniają ogniwo, zwiększając w ten sposób wydajność panelu.

 

Gontowane panele słoneczne SunPower serii P.

Inną korzyścią jest to, że długie ogniwa są zwykle połączone równolegle. To znacznie zmniejsza efekty zacienienia. Każda długa komórka działa niezależnie. Również te ogniwa są stosunkowo tanie w produkcji, więc mogą być bardzo opłacalną opcją o wysokiej wydajności, szczególnie jeśli problemem jest częściowe zacienienie.

Seraphim był jednym z pierwszych producentów, którzy wypuścili moduły z paskowymi ogniwami, oferując wysokiej jakości serię Eclipse .

Seraphrim Eclipse używa formatu komórek gontów poziomych.

Najbardziej wydajne panele słoneczne – IBC typu N

Najbardziej wydajne i najlepiej działające na świecie panele słoneczne są produkowane przez SunPower i LG przy użyciu ogniw krzemowych monokrystalicznych typu IBC i chociaż są one najdroższe, są bez wątpienia najbardziej niezawodnymi i najwyższej jakości dostępnymi panelami.

  • SunPower – Maxeon 3 – wydajność 22,6%

  • Energia LG – Neon R – sprawność 21,7%

Wyższy koszt tych wysokiej klasy paneli słonecznych typu N (1 USD lub więcej na W) jest równoważony wyższą wydajnością. Wydajność wynosi od 20 do 22,6%. Poza tym panele charakteryzują się lepszą wydajnością w wyższych temperaturach i minimalną degradacją wywołaną światłem (LID). Oznacza to znacznie wyższą wydajność energetyczną w całym okresie eksploatacji paneli. Wiodąca w branży gwarancja wydajności jest oferowana zarówno dla paneli SunPower Maxeon 2 do 92%. W LG Neon R i Neon 2 panele są również objęte gwarancją produktu 25 lat i nową gwarancją wydajności minimum od 90 do 90,8% po 25 latach.

Moduły słoneczne LG Neon R z wysokowydajnymi ogniwami IBC typu N - do 370 W (60 ogniw)

Moduły słoneczne LG Neon R z wysokowydajnymi ogniwami IBC typu N – do 370 W (60 ogniw)

 

Ogniwa HJT

Po wczesnych pracach rozwojowych HJT w UNSW i Sanyo, Panasonic stworzył wydajną gamę paneli „HIT”. Przez wiele lat Panasonic był liderem w technologii ogniw HJT. Jednak grupa REC wypuściła właśnie nowe panele z serii Alpha, które wykorzystują ogniwa HJT z 16 mikro-szynami. Osiągnięto imponującą wydajność 21,7%.

Ogniwa słoneczne HJT wykorzystują bazę wspólnego krystalicznego krzemu z dodatkowymi cienkimi warstwami bezpostaciowego krzemu po obu stronach ogniwa. Warstwy tworzą tak zwane heterozłącze. W przeciwieństwie do zwykłych ogniw PN, wielowarstwowe ogniwa heterozłączowe znacząco zwiększają wydajność. W testach laboratoryjnych osiągają wydajność do 26,5%.

Konstrukcja komórki Panasonic HiT (HJT) - Zdjęcie dzięki uprzejmości Panasonic Corporation

Panasonic opracował ogniwo HIT przy użyciu wysokowydajnej bazy krzemowej typu N osiągając wydajność do 20,0%. Poprawiono także wydajność w wysokich temperaturach. Ogniwa krzemowe typu N charakteryzują się wyjątkowo niskim spadkiem mocy po 25 latach eksploatacji osiągając wydajność 90,76% mocy początkowej. To jest drugi co do wielkości wynik po SunPower.

 

HJT wiodąca na świecie wydajność w wysokich temperaturach

Nowa seria REC Alpha z półciętymi ogniwami HJTNajbardziej imponującą cechą ogniw HJT jest niewiarygodnie niski współczynnik temperaturowy. Poprawiono go o 40% w porównaniu do zwykłych ogniw poli i monokrystalicznych. Moc wyjściowa paneli jest oceniana przy temperaturze ogniwa wynoszącej 25 stopni Celsjusza w warunkach STC. Każdy stopień powyżej tej wartości nieznacznie zmniejsza moc wyjściową.

Współczynnik temperaturowy odnosi się do redukcji mocy wraz ze wzrostem temperatury ogniwa.

W typowych ogniwach poli i mono współczynnik temperaturowy mocy wynosi od 0,38% do 0,42% na stopień C. W rzeczywistych warunkach może to zmniejszyć wydajność modułów o 20% lub więcej w bardzo upalne i bezwietrzne dni. Dla porównania ogniwa HIT firmy Panasonic charakteryzują się bardzo niskim współczynnikiem temperaturowym 0,26% na stopień Celsjusza. To najniższa wartość wśród obecnie produkowanych ogniw.

Uwaga: temperatura paneli i ogniw zależy również od koloru dachu, kąta nachylenia i prędkości wiatru. Montaż paneli na bardzo ciemnym dachu zwykle obniża wydajność paneli w porównaniu do dachów o jaśniejszych kolorach.