6.4 Ogniwa fotowoltaiczne z elektrodami typu 'smart wire'
Technologia fotowoltaiczna stale się rozwija. Dokonano znaczących ulepszeń na poziomie ogniwa fotowoltaicznego, ale istnieją ograniczenia na poziomie tychże połączeń w panel fotowoltaiczny. Szwajcarska firma Meyer Burger [1] opracowała technologię Smart Wire Connection Technology (SWCT), która nie obniża wydajności całego panelu fotowoltaicznego w stosunku do pojedynczego ogniwa fotowoltaicznego. Polega ona na połączeniu procesu laminowania i wzajemnego połączenia ogniw w panel fotowoltaiczny w jednym etapie laminowania. Podczas tego procesu zmniejsza się zużycie materiałów, energii, a wydajność ogniwa jest na poziomie \( 25,4\% \).
Technologia Smartwire polega na zastosowaniu siatki przewodów na płaszczyźnie ogniwa fotowoltaicznego zamiast konwencjonalnego rozwiązania, jakim są szyny połączeniowe, czyli busbary. Liczba połączeń elektrycznych w pojedynczym ogniwie dochodzi tutaj do 2640, co zapewnia odporność na obciążenia mechaniczne oraz lepszą wydajność w warunkach słabego oświetlenia ( Rys. 1 ).
Zastosowanie tego procesu zmniejsza straty elektryczne i optyczne w panelu fotowoltaicznym, dzięki krótszej drodze ładunków do elektrod oraz mniejszemu zacienieniu ogniwa przez elektrody niż w standardowych technologiach busbarów.
Technologia SWCT przekształca wygląd przedniej powierzchni ogniwa fotowoltaicznego i oferuje dodatkowo kilka korzyści:
- łączy wiele przewodów, ograniczając straty omowe oraz optyczne przez zmniejszenie grubości busbarów, ponieważ liczba przewodów może być dostosowana do konstrukcji konkretnego ogniwa fotowoltaicznego,
- zużycie pasty srebrnej można znacznie zmniejszyć,
- dzięki inteligentnemu odbiciu światła przez przewody poprawia się absorpcja światła przez ogniwo fotowoltaiczne,
- zmniejsza wpływ mikropęknięć ogniw fotowoltaicznych poprzez zwiększenie liczby ścieżek zbierania prądu,
- uproszczeniu ulegają etapy technologiczne, procesy lutowania i laminowania zostały zastąpione przez jeden proces laminowania, są one wykonane łącznie,
- zmniejszają się naprężenia w ogniwie fotowoltaicznym, ponieważ temperatura podczas procesu połączenia jest jednorodna w całym ogniwie i wynosi poniżej 160°C,
- koszt wykonania panelu fotowoltaicznego jest niższy,
- proces ten jest kompatybilny z wieloma typami materiałów, takimi jak Al, Cu, Ni, Ag i dlatego możliwy jest do zastosowania w nowych kombinacjach materiałów i połączenia nowych koncepcji ogniw fotowoltaicznych, takich jak tylne pasywowane ogniwa, HJT, poszycie metalowe i IBC.
SWCT to technologia łącząca elektrody z ogniwami fotowoltaicznymi, oparta na klejeniu drutu. Wykorzystuje się zwykle od 15 do 38 przewodów po obu stronach ogniwa fotowoltaicznego. Przewodami są okrągłe druty na bazie miedzi, pokryte niskotemperaturowym stopem, zazwyczaj warstwą 1-2 mikronów grubości z \( 50\% \) stopem indu. Przewody są osadzone w folii polimerowej, która jest nakładana bezpośrednio na metalizowane ogniwo.
Tak ułożone składniki są laminowane ( Rys. 2 ). Przewody są związane z metalizacją ogniwa fotowoltaicznego i zapewniają kontakt elektryczny z większością materiału (np. liczbę przewodów i ich grubość można dostosować do niemal każdej konstrukcji metalizacji ogniwa i mocy ogniwa). Szyny busbarów na powierzchni ogniwa fotowoltaicznego (zarówno z przodu, jak i z tyłu) nie są potrzebne. Zaoszczędza się w ten sposób czas i materiały (proces metalizacji wymaga drogiego materiału, takiego jak pasta srebrna) oraz zapobiega cieniowaniu. Technologia SWCT ma dodatkową zaletę, lepszą pasywację tylnej części ogniwa fotowoltaicznego można osiągnąć za pomocą aluminiowego ekranu wydrukowanego z tyłu pola powierzchniowego lub z dowolną metodą pasywacji z tyłu (taką jak \( SiO_{2}, a-Si, AlO_{x} \) itp.).
Ogniwa fotowoltaiczne są kruche i dlatego muszą być chronione, aby oprzeć się warunkom zewnętrznym, takim jak deszcz, grad, wilgoć, wiatr i śnieg. Ochronę uzyskuje się zwykle poprzez osadzenie ogniwa fotowoltaicznego w szkle i warstwie hermetyzacji. Ponieważ wygenerowany prąd musi być transportowany z jednego ogniwa do drugiego, występują straty elektryczne. Najbardziej niezawodne, sprawdzone i używane dotychczas techniki, to lutowanie wstążki.
Technologia SWCT oferuje do 38 powlekanych drutów miedzianych, które przenoszą ładunki generowane przez ogniwa fotowoltaiczne. Długość palca można zmniejszyć z 39 mm do 4-8 milimetrów, co z kolei sprawia, że utrata mocy na palcu jest znikoma. Tę redukcję długości palca uzyskuje się bez zmiany przekroju materiału transportującego. Straty mocy związane z opornością spadają i więcej energii może być pobierane z każdego pojedynczego ogniwa fotowoltaicznego. Z porównań w tabeli poniżej wynika, że SWCT z 30 przewodami o średnicy 0,2 mm ma takie samo optyczne cieniowanie, jak z 3 busbarami. SWCT z 18 przewodami o średnicy 0,3 mm ma o \( 85\% \) wyższy przekrój Cu w porównaniu do 3 busbarów, czyli mniejszy opór. Zmniejsza się ponadto optyczne cieniowanie ( \( 2,6\% \) w porównaniu do \( 2,9\% \) dla 3 busbarów), są też dodatkowe korzyści wynikające ze zmniejszonej długości palca do 8,2 mm. Podsumowując, dane na Rys. 3 poniżej [1] pokazują, że SWCT wykazuje lepsze właściwości niż technologia busbarów.
W celu porównania technologii typu SWCT z technologią busbarów przygotowano panele fotowoltaiczne, w których użyto tego samego typu ogniw. Eksperymentowi poddano dwa rodzaje ogniw, monokrystaliczne ogniwa wyprodukowane przez firmę Hareon Sun (Chiny) i ogniwa firmy HJT (Szwajcaria). Na Rys. 3 zebrano dane wydajności ogniwa monokrystalicznego c-Si. Tak wykonane panele poddano badaniom wydajności. Zwiększenie liczby busbarów do 5 podniosło moc ogniw do \( 102\% \), a w technologii SWCT do \( 103\% \). Jeśli do tego doda się jeszcze wytrzymałość ogniw na mikropęknięcia, to zastosowanie procedury typu SWCT jest uzasadnione.
W przypadku technologii SWCT na skutek mikropęknięć nie następuje drastyczna utrata mocy [2], ponieważ wygenerowane ładunki mogą dotrzeć do elektrody zbierającej inną drogą.
Na filmie "The Making of SmartWire Technology" przedstawiono technologię produkcji paneli fotowoltaicznych wykonanych w technologii smart-wire.
.
Na filmie "The Technology Behind SolarTech Universal" pokazano porównanie różnych ogniw fotowoltaicznych stosowanych komercyjnie oraz sposób budowy paneli fotowoltaicznych wykonanych w technologii smart-wire.
.