Ερευνητές της κινεζικής κατασκευάστριας φωτοβολταϊκών LONGi ανέλυσαν τους φυσικούς μηχανισμούς μέσω των οποίων η κάλυψη των άκρων επηρεάζει την απόδοση των ηλιακών κυψελών υψηλής απόδοσης. Όπως αναφέρει το pv magazine, η μελέτη έδειξε ότι η συγκεκριμένη τεχνική περιορίζει την πλευρική μεταφορά φορέων φορτίου προς την περίμετρο της κυψέλης, μειώνοντας τις απώλειες λόγω επανασύνδεσης και βελτιώνοντας την απόδοση που καταγράφεται κατά τις εργαστηριακές μετρήσεις. Τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν στην επιστημονική επιθεώρηση Solar Energy Materials and Solar Cells, στο πλαίσιο της μελέτης «The influence of edge masking on the optoelectronic performance in back contact silicon solar cells».
Πώς η κάλυψη των άκρων περιορίζει τις απώλειες
Η κάλυψη των άκρων (edge masking) αποτελεί τεχνική εργαστηριακής μέτρησης κατά την οποία η περιφέρεια μιας ηλιακής κυψέλης καλύπτεται με αδιαφανές υλικό, ώστε να μην φωτίζεται. Με τον τρόπο αυτό περιορίζεται η συμβολή των άκρων στις ηλεκτρικές απώλειες, επιτρέποντας την ακριβέστερη αξιολόγηση της απόδοσης της ενεργού περιοχής.
Σύμφωνα με τον ερευνητή της LONGi, Genshun Wang, προηγούμενη μελέτη σε κυψέλες με οπίσθιες επαφές είχε δείξει ότι τα άκρα της κυψέλης αποτελούσαν σημαντική οδό απωλειών ρεύματος. Κατά τη μέτρηση, η απόδοση αυξήθηκε από 26,74% όταν υπολογίστηκε με βάση τη συνολική επιφάνεια της κυψέλης σε 27,09% όταν λήφθηκε υπόψη η καθορισμένη φωτιζόμενη επιφάνεια.
Η νέα έρευνα εξηγεί τον μηχανισμό πίσω από αυτή τη διαφορά. Η κάλυψη δημιουργεί μια σκοτεινή περιοχή με αυξημένη ηλεκτρική αντίσταση, η οποία λειτουργεί ως «φραγμός αντίστασης» και δυσχεραίνει την πλευρική μεταφορά των φορέων φορτίου προς το φυσικό άκρο της κυψέλης. Ως αποτέλεσμα, περιορίζεται η επανασύνδεση των φορέων, δηλαδή η διαδικασία κατά την οποία ηλεκτρόνια και οπές χάνονται χωρίς να συνεισφέρουν στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν προσομοιώσεις με το λογισμικό Quokka 3, επιβεβαιώνοντας τη μετάβαση από μια φωτιζόμενη, ηλεκτρικά αγώγιμη περιοχή σε μια σκοτεινή, περισσότερο αντιστατική ζώνη κοντά στην περίμετρο. Η επίδραση ήταν εντονότερη στις κυψέλες χωρίς παθητικοποίηση των άκρων, όπου καταγράφηκε βελτίωση της απόδοσης κατά περίπου 0,2 ποσοστιαίες μονάδες.
Βέλτιστο πλάτος 5 mm και προοπτικές για υψηλότερη απόδοση
Τα πειράματα έδειξαν ότι το βέλτιστο πλάτος κάλυψης είναι 5 mm. Αντίθετα, η αύξηση του πλάτους στα 10 mm και στα 15 mm οδήγησε σε χαμηλότερη απόδοση, καθώς η μεγαλύτερη καλυμμένη περιοχή μειώνει την ενεργό επιφάνεια που δέχεται το ηλιακό φως και επιβαρύνει τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά της κυψέλης.
Παράλληλα, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η πυκνότητα ρεύματος βραχυκύκλωσης αρχικά αυξάνεται με το πλάτος κάλυψης, ενώ η τάση ανοικτού κυκλώματος παρουσιάζει πτώση. Το βασικό όφελος της τεχνικής αποδίδεται κυρίως στη βελτίωση του συντελεστή πλήρωσης (fill factor), ενός σημαντικού δείκτη που καθορίζει πόσο αποτελεσματικά η κυψέλη μετατρέπει τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά της σε παραγόμενη ισχύ.
Ωστόσο, η κάλυψη των άκρων δεν εξαλείφει πλήρως τις απώλειες. Οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι μέρος των φορέων εξακολουθεί να φτάνει στη σκοτεινή περιοχή μέσω των μεταλλικών γραμμών συλλογής ρεύματος. Για την αντιμετώπιση αυτού του φαινομένου, η ομάδα εξέτασε την επιλεκτική μεταλλοποίηση, δηλαδή την αφαίρεση του μεταλλικού πλέγματος από την καλυμμένη περιοχή.
Σύμφωνα με τα μοντέλα των ερευνητών, η συγκεκριμένη προσέγγιση περιορίζει τις διαδρομές μεταφοράς φορτίου προς τα άκρα και απομονώνει αποτελεσματικότερα την περιοχή που συνεισφέρει στις απώλειες. Οι προσομοιώσεις υποδεικνύουν ότι η απόδοση θα μπορούσε να αυξηθεί από 26,85% σε θεωρητικό μέγιστο 27,39%, με βελτιώσεις τόσο στον συντελεστή πλήρωσης όσο και στην τάση ανοικτού κυκλώματος.
Η LONGi διευκρινίζει ότι η επιλεκτική μεταλλοποίηση και η κάλυψη των άκρων δεν αποτελούν, στην παρούσα μορφή τους, τεχνολογίες για άμεση εφαρμογή στη μαζική παραγωγή. Η αφαίρεση μεταλλικών στοιχείων αυξάνει την πολυπλοκότητα της κατασκευής, ενώ η καλυμμένη περιοχή δεν παράγει ενέργεια, μειώνοντας την αξιοποίηση της συνολικής επιφάνειας της κυψέλης.
Η κύρια αξία της μεθόδου βρίσκεται, επομένως, στην εργαστηριακή αξιολόγηση: περιορίζοντας τη συμβολή των άκρων, οι ερευνητές μπορούν να εκτιμήσουν με μεγαλύτερη ακρίβεια τις υπόλοιπες απώλειες και να εντοπίσουν νέες δυνατότητες βελτίωσης των φωτοβολταϊκών κυψελών υψηλής απόδοσης.
www.worldenergynews.gr
