Dzięki krzemowym płytkom o wysokiej rezystywności chińskie panele słoneczne osiągają rekordową efektywność i przekroczą poziom 584 TWh wyprodukowanej energii w 2024 roku.

Rywalizacja o zwiększenie efektywności energii słonecznej doczekała się nowego postępu pochodzącego z Chin. Badacze i producenci z tego azjatyckiego kraju udało się poprawić wydajność komórek fotowoltaicznych dzięki kluczowej optymalizacji w procesie obróbki płytek krzemowych.

Jest to rozwój, który może przyczynić się do zwiększenia produkcji energii elektrycznej bez konieczności powiększania zainstalowanej powierzchni.

Światowy obraz energetyki fotowoltaicznej

To badanie powstaje w kontekście silnego rozwoju energii słonecznej na skalę globalną, przy czym Chiny odgrywają dominującą rolę w tym sektorze. Według danych z 2024 roku firmy DPV Energy, kraj ten wyprodukował 584 TWh energii elektrycznej z użyciem fotowoltaiki słonecznej, co stanowi najwyższą wartość na świecie. Daleko w tyle pozostają Stany Zjednoczone z 238 TWh, Indie z 113 TWh oraz Japonia z 110 TWh.

W Europie Niemcy nadal są liderem z wynikiem 62 TWh, mimo że poziom promieniowania słonecznego jest u nich niższy niż w krajach południowej części kontynentu. Ich przewaga wynika z polityk wspierających prowadzonych od lat, takich jak dotacje, ulgi podatkowe oraz korzystne taryfy regulowane dla samowystroju i wytwarzania energii z odnawialnych źródeł.

Kontrast jest wyraźny w przypadku Hiszpanii, jednego z najsłoneczniejszych krajów na świecie, który ma ponad 300 dni słonecznych rocznie oraz od 2.500 do 3.000 godzin promieniowania słonecznego, ale który wciąż nie wykorzystuje w pełni swojego potencjału fotowoltaicznego.

Nowe płytki krzemowe o wysokiej rezystywności

W tym kontekście wzrostu i konkurencji technologicznej jedną z najważniejszych firm jest LONGi Green Energy Technology, założona w roku 2000 i uważana za największego na świecie producenta produktów z krzemu monokrystalicznego – technologii obecnie najskuteczniejszej w przemyśle słonecznym. Firma organizuje swoją działalność w pięciu głównych obszarach, wśród których wyróżnia się produkcja płytek, komórek i modułów fotowoltaicznych, w tym znanych paneli z serii Hi-MO, używanych zarówno w domach, jak i w dużych elektrowniach słonecznych.

Ostatni postęp firmy LONGi, opracowany we współpracy z badaczami z Uniwersytetu Sun Yat-sen, koncentruje się na poprawie właściwości płytek krzemowych o wysokiej rezystywności. Ten typ materiału oferuje teoretyczne zalety pod względem efektywności w porównaniu z standardowymi płytkami uzyskiwanymi metodą Czochralskiego, które charakteryzują się umiarkowaną lub niską rezystywnością, większą wytrzymałością mechaniczną oraz lepszą odpornością na naprężenia termiczne, co ułatwia ich przetwarzanie przemysłowe i zmniejsza ryzyko uszkodzeń podczas produkcji.

Jednak wstępne testy wykazały pewien problem: płytki o wysokiej rezystywności miały tendencję do osiągania gorszych wyników niż oczekiwano. Analiza pokazała, że w punkcie maksymalnej mocy funkcjonowały przy wyższych gęstościach nadmiarowych nośników ładunku oraz przy bardziej płaskich gradientach koncentracji. Takie zachowanie zmniejszało akumulację nośników ładunku i zwiększało ich wrażliwość na rekombinację na krawędziach.

W praktyce, bez specjalnego traktowania, krawędzie płytki działały jako punkt strat mocy, unieważniając teoretyczne zalety tego materiału.

Rozwiązaniem zaproponowanym przez zespół była pasywacja krawędzi, proces, który zmniejsza te straty i umożliwia kontrolę rekombinacji. Badacze stwierdzili, że połączenie wysokiej rezystywności z skuteczną pasywacją jest kluczowe dla osiągnięcia maksymalnej wydajności, ponieważ takie płytki łatwiej wchodzą w reżim iniekcji wysokiego poziomu – cecha fizyczna sprzyjająca wyższym współczynnikom wypełnienia, a tym samym większej efektywności.

Dzięki tej kontroli płytki mogą utrzymywać bardziej skuteczne gromadzenie nośników i przekształcać swój teoretyczny potencjał w wyższą rzeczywistą wydajność.

Aby zweryfikować ten proces, zespół wyprodukował hybrydowe ogniwa słoneczne typu HIBC o wymiarach 18,3 centymetra na 9,1 centymetra, używając zarówno płytek o wysokiej rezystywności, jak i standardowych płytek Czochralski. Główną różnicą w tym eksperymencie było to, że w płytkach o wysokiej rezystywności krawędzie nie zostały pokryte azotkiem krzemu podczas chemicznego nanoszenia w fazie parowej, co spowodowało, że warstwa pasywacji SiOx/n-poli-Si pozostała narażona i częściowo usunięta podczas mokrego czyszczenia chemicznego.

Cały proces produkcji obejmował kilka etapów przemysłowych: chemiczną czystkę wilgotną, chemiczne nanoszenie z parą (CVD), dyfuzję fosforu, nanoszenie warstwowe atomowe (ALD), formowanie laserem, fizyczne nanoszenie z parą (PVD), izolację elektryczną oraz serigrafię.

Następnie komórki zostały przeanalizowane za pomocą sprawdzacza krzywych IV, systemów pomiarowych do płytek, mikroskopii elektronicznej przekrojowej oraz narzędzi do symulacji.

Wyniki potwierdziły wpływ obróbki: zastosowanie skutecznej pasywacji krawędzi poprawiło wydajność zarówno w komórkach o niskiej, jak i wysokiej rezystywności, choć korzyści były znacznie większe w tych drugich.

Rozwój o charakterze technicznym, ale mający implikacje przemysłowe, wzmacnia tendencję sektora ku stopniowym ulepszeniom krzemu – materiału, który nadal stanowi podstawę ponad 90% światowych paneli słonecznych. Na rynku, gdzie każda dodatkowa frakcja wydajności obniża koszty i zwiększa produkcję na metr kwadratowy, takie innowacje umacniają technologiczną przewagę Chin i przybliżają scenariusz, w którym energia