Ogniwa z elektrodami paskowymi "busbar"

Ponad \( 90\% \) ogniw fotowoltaicznych buduje się obecnie najczęściej z krzemu. Po wytworzeniu złącza p-n, na półprzewodnik typu n nanosi się elektrodę przednią (ujemną), wykonaną w postaci sieci cienkich ścieżek poziomych do krawędzi ogniwa (ang. fingers, palce), które zbierają ładunki z całego ogniwa i przekazują je ścieżkom połączeniowym wstążkowym prostopadłym do palców, zwanym busbarami. Elektroda dodatnia (na krzemie typu p) pokrywa całą tylną powierzchnię ogniwa.
Technologia busbar była stosowana od początku wprowadzenia fotowoltaiki na rynek. W ogniwach polikrystalicznych stosowano najpierw 2 ścieżki połączeniowe, czyli 2 busbary, osiągając wydajność na poziomie \( 12\% \).

Miały one od 110 do 660 punktów kontaktowych ze ścieżkami poziomymi, czyli z palcami ( Rys. 1 ) [1].

Rozwijając tę technologię, zwiększano liczbę busbarów tak, że w nowszych rozwiązaniach jest to 5 busbarów.

Przy zastosowaniu 3 busbarów, długość palca zmniejsza się z 39 mm do 26 mm (tabela na Rys. 2 ), co przekłada się na zmniejszenie przekroju palca i równocześnie podwyższa się wydajność ogniwa.

Zwiększając liczbę busbarów unika się dużego wpływu mikropęknięć na wydajności ogniwa fotowoltaicznego.

Mikropęknięcia powodują wyeliminowanie części ogniwa fotowoltaicznego z możliwości odebrania od niego energii elektrycznej. Powodem mikropęknięć jest na przykład łączenie ogniw w procesie lutowania w temperaturach od 240 do 340 \( _{}^{o}\textrm{C} \).

Naraża to całą strukturę na naprężenia związane z nierównomiernym nagrzewaniem ogniwa, co może prowadzić do degeneracji całych paneli. Czas życia takich paneli skraca się przez mikropęknięcia, co powoduje zwiększanie rezystancji połączeniowej.

Liczba busbarów i liczba palców ma wpływ na parametry pracy ogniwa (tzw. współczynnik wypełnienia FF oraz rezystancję szeregową), a w konsekwencji na całkowitą wydajność panelu fotowoltaicznego.

Zastosowanie większej liczby busbarów skraca drogę jaką musi przebyć elektron i dziura, co powoduje zmniejszenie rezystancji wewnętrznej i ułatwia przepływ prądu.
Zwiększając liczbę busbarów zmniejszamy prąd płynący przez pojedynczy busbar co powoduje obniżenie temperatury pracy ogniwa.
Rezystancja ogniwa zależy bowiem od długości drogi jaką musi pokonać ładunek elektryczny w ogniwie. Wzrost liczby busbarów zmniejsza tę odległość. Zwiększenie liczby busbarów [2] wpływa na podniesienie sprawności ogniw, ale także polepsza ich pracę w warunkach zacienienia, czy w przypadku uszkodzeń mechanicznych zmniejszających powierzchnię ogniwa. Zwiększenie liczby busbarów podnosi też wytrzymałość mechaniczną panelu na deszcz, śnieg, grad czy wiatr.

Technologia wielościeżkowa MBB "Multi-Busbar"

W ogniwach wyprodukowanych w technologii wielościeżkowej MBB w miejsce szerokich paskowych elektrod busbarowych wprowadzone są elektrody drutowe, a ich liczba to 15 i więcej na jednym ogniwie. Czyli każdy drut przewodzi poniżej 0,5 A a nie 4,5 A jak w przypadku dwu busbarów.

Obecnie funkcjonują co najmniej trzy różne rozwiązania: technologia SmartWire szwajcarskiej firmy Meyer Burger, technologia Merlin oraz Multi Busbar Connector Schmidta.

Technologia SmartWire polega na zastosowaniu, zamiast wyżej opisanego rozwiązania jakim są busbary, siatki przewodów na płaszczyźnie ogniwa fotowoltaicznego. Liczba połączeń elektrycznych w takim pojedynczym ogniwie dochodzi do 2660 ( Rys. 3 ).
Zapewnia to odporność na obciążenia mechaniczne oraz lepszą wydajność w warunkach słabego oświetlenia.

Technologia Merlin charakteryzuje się tym, że w ogniwie krzemowym umieszcza się specjalnie uformowaną siatkę miedzianą na i pod ogniwem fotowoltaicznym ( Rys. 4 ). W tym przypadku połączenia wewnętrzne są mocniejsze, co przekłada się na lżejsze i wytrzymalsze panele fotowoltaiczne.

Elastyczna miedziana siatka zastępuje tu tradycyjne busbary, co redukuje zużycie materiałów, a przez to i koszty. Ponadto, technologia Merlin może się łatwo integrować z istniejącymi liniami służącymi do produkcji ogniw i paneli.
Technologia Multi Busbar Connector ( Rys. 5 ) oparta jest na wykorzystaniu siatki przewodów z drutu miedzianego o średnicy 360 mikronów, pokrytej cienką warstwą stopu SnPbAg o grubości około 15 mikronów. Na każdym ogniwie umieszczone jest 12 busbarów. Powoduje to zwiększenie współczynnika wypełnienia, co w konsekwencji zwiększa wyprodukowaną moc przez ogniwo fotowoltaiczne.

Technologia pasywacji tylnej ścianki ogniwa (Passivated Emitter Rear Cell - PERC)

Ogniwo PERC odróżnia się od standardowego ogniwa fotowoltaicznego budową elektrody tylnej ogniwa.
W tylnej elektrodzie wprowadzono modyfikację polegającą na naniesieniu dodatkowej warstwy, która pełni funkcję refleksyjną i pasywacyjną.
Pasywacja powoduje ochronę przed utlenianiem powierzchni krzemu oraz zmniejszenie rekombinacji na styku krzem elektroda metaliczna.
Warstwa izolatora ( Rys. 6 ) powoduje między innymi odbicie promieni słonecznych i skierowanie ich do ogniwa, celem zwiększenia absorpcji, a co za tym idzie i mocy ogniwa [3]. Zwiększone odbicie promieniowania elektromagnetycznego od warstwy pasywacyjnej powoduje zwiększenie absorpcji, a zatem również zwiększenie uzyskiwanej moc ogniwa.

Obecnie wiele laboratoriów pracuje nad zwiększeniem sprawności ogniw fotowoltaicznych, ale wiele z opracowanych rozwiązań ma zastosowanie bardziej laboratoryjne niż komercyjne. Poza problemami omówionymi powyżej są jeszcze te związane z zacienieniem, mikropęknięciami, odbiciem światła i oczywiście obniżeniem kosztów produkcji. Wszystkie te elementy są motywacją do szukania rozwiązań optymalizujących pracę ogniwa.
Zwiększając liczbę busbarów na ogniwie, zmniejsza się rezystancję, co powoduje zwiększenie mocy otrzymanej z ogniwa, unika się też większości strat związanych z mikropęknięciami. Zwiększając liczbę busbarów daje się elektronom więcej możliwości dotarcia do elektrody.

Sposób łączenia ogniw fotowoltaicznych w panelach PV wykonanych w technologii busbar są pokazane na Rys. 7. Miejsca lutowania są szczególnie narażone na naprężenia. Jest to związane z temperaturą w czasie łączenia ze sobą ogniw fotowoltaicznych.