Diody obejściowe w komórkach (in-cell) dla wysokosprawnych i odpornych na zacienienie fotowoltaicznych modułów krzemowych z tylnymi kontaktami

Bezpieczniejsze panele słoneczne na codzienne dachy

Panele słoneczne na dachach mają działać bezawaryjnie przez dziesięciolecia, ale w praktyce pokrywają się liśćmi, śniegiem, kominami i rzucanymi przez pobliskie budynki cieniami. Nawet niewielkie zacienione fragmenty mogą pozbawić panel mocy, a co gorsza — stworzyć niebezpiecznie gorące punkty, które uszkadzają sprzęt. Artykuł opisuje nowy rodzaj krzemowej ogniwa słonecznego, w którym funkcja bezpieczeństwa jest wbudowana bezpośrednio w każdą komórkę, dzięki czemu panele są jednocześnie bardziej wydajne i znacznie odporniejsze na codzienne zacienienie.

Dlaczego cień jest takim problemem

Panel słoneczny to nie pojedyncze urządzenie, lecz łańcuch wielu ogniw połączonych szeregowo. Gdy jedno ogniwo zostanie zacienione, jego prąd maleje, podczas gdy pozostałe oświetlone ogniwa nadal wymuszają przepływ prądu przez to ogniwo. Zacienione ogniwo jest wtedy wymuszone w stan zwany polaryzacją wsteczną, w którym przestaje być źródłem mocy, a zaczyna ją pochłaniać. W efekcie w małych obszarach ogniwa mogą powstawać silne przegrzania, zwane gorącymi punktami, które marnują energię i w skrajnych przypadkach mogą uszkodzić, a nawet zapalić części modułu. Standardowa ochrona stosuje zewnętrzne elementy elektroniczne zwane diodami obejściowymi połączone wokół grup ogniw, lecz instalowanie jednej diody dla każdego ogniwa byłoby zbyt zajmujące i kosztowne, a grupowanie wielu ogniw pod jedną diodą daje tylko częściową ochronę.

Przekształcenie każdego ogniwa we własny zawór bezpieczeństwa

Autorzy proponują sprytne przeprojektowanie ogniw krzemowych z tylnymi kontaktami tak, aby każde ogniwo zawierało własne wbudowane zachowanie „obejścia” bez dodawania oddzielnych komponentów. Zamiast polegać na jednej zewnętrznej diodzie ratującej wiele ogniw, inżynierują warstwy po stronie tylnej ogniwa, tworząc wiele drobnych kanałów przewodzenia wstecznego rozproszonych po powierzchni. Kanały te pozostają praktycznie wyłączone podczas normalnej pracy, zachowując wysoką sprawność, ale włączają się, gdy ogniwo zostanie wprowadzone w polaryzację wsteczną przez zacienienie. W efekcie ogniwo zyskuje wewnętrzny zawór bezpieczeństwa, automatycznie zapewniający drogę do przepływu prądu wokół zacienionych obszarów, zanim rozwiną się niebezpieczne napięcia i gorące punkty.

Jak ukryte kanały działają wewnątrz ogniwa

W sercu projektu znajduje się starannie stakowana kombinacja materiałów na tylnej stronie krzemowej płytki. Ogniwa z tylnymi kontaktami już umieszczają kontakty dodatnie i ujemne obok siebie z tyłu, rozdzielone wąskimi szczelinami. Zespół wykorzystuje krawędzie tych szczelin, aby wstawić nakładające się cienkie warstwy, które preferują elektrony w jednej części i dziury (ich dodatnie odpowiedniki) w innej. Pod polaryzacją wsteczną elektrony wchodzące do zacienionego ogniwa przemieszczają się przez krzem i są kierowane ku tym obszarom nakładania, gdzie krajobraz energetyczny pozwala im „tunelować” przez stos i pojawić się ponownie jako prąd, który można bezpiecznie odprowadzić. Ponieważ podobne stosy są powtarzane setki razy na tylnej stronie ogniwa, prąd wsteczny rozprasza się zamiast koncentrować w jednym słabym punkcie. Symulacje i pomiary pokazują, że te zaprojektowane kanały zachowują się jak wiele drobnych, specjalnie zaprojektowanych diod zintegrowanych bezpośrednio w ogniwie.

Utrzymanie wysokiej wydajności przy codziennym świetle

Każda dodatkowa droga przepływu prądu niesie ryzyko stałego nieszczelnego upływu, który marnuje energię, gdy ogniwo pracuje normalnie. Kluczowym osiągnięciem pracy jest zaprojektowanie stosów warstw tak, by przewodziły znaczący prąd tylko wtedy, gdy ogniwo jest wymuszone w stan polaryzacji wstecznej, a przy normalnej pracy praktycznie nie wnosiły strat. Zespół analizuje, jak elektrony i dziury poruszają się przez stosy w obu warunkach i dostosowuje grubość oraz właściwości materiałowe tak, aby efekt tunelowania stopniowo zanikał w miarę, jak napięcie w kierunku przewodzenia zbliża się do punktu pracy ogniwa. W rezultacie prototypowe urządzenia z nową strukturą osiągnęły certyfikowaną sprawność konwersji mocy na poziomie 27,49%, porównywalną z najlepszymi ogniwami krzemowymi z tylnymi kontaktami, jednocześnie oferując silne przewodzenie wsteczne, gdy jest ono potrzebne.

Chłodniejsze, bardziej stabilne panele w realistycznych warunkach

Aby sprawdzić, czy to mikroskopijne przeprojektowanie ma realny wpływ, badacze zbudowali pełne moduły solarne wykorzystujące swoje nowe ogniwa i porównali je z konwencjonalnymi modułami w rygorystycznych testach zacienienia. Gdy kilka ogniw było mocno zacienionych, standardowe moduły rozwijały gorące regiony, które szybko osiągały około 190 stopni Celsjusza. Nowe moduły, w przeciwieństwie do tego, stabilizowały się w pobliżu 90 stopni, z cieplejszym rozkładem temperatury i znacznie mniejszą liczbą trwale uszkodzonych miejsc. W testach, gdzie zacieniona była tylko część pojedynczego ogniwa, tradycyjne moduły traciły niemal połowę swojej mocy, mimo obecności zewnętrznych diod obejściowych. Moduły z nowymi ogniwami wykazały jedynie umiarkowane spadki mocy, co dowodzi, że wbudowane kanały pomagają utrzymać płynniejszy przepływ prądu mimo nierównomiernego oświetlenia.

Krok w stronę mądrzejszej, bardziej wytrzymałej energii słonecznej

Praca pokazuje, że ochrona przed zacienieniem nie musi pochodzić z dodatkowego okablowania i komponentów poza ogniwem. Wplatając zachowanie obejściowe w samą strukturę ogniwa, autorzy tworzą moduły słoneczne, które są jednocześnie wysoce wydajne i znacznie bardziej odporne na codzienne cienie, przy jednoczesnym potencjale obniżenia kosztów i złożoności. W miarę jak energia słoneczna rozprzestrzenia się na zatłoczonych dachach i w miastach pełnych przeszkód i zmiennego światła, takie samochronne, odporne na zacienienie ogniwa mogłyby uczynić systemy fotowoltaiczne bezpieczniejszymi, trwalszymi i bardziej niezawodnymi dla właścicieli domów i operatorów sieci.

Cytowanie: Tang, H., Li, Y., Lin, H. et al. In-cell bypass diodes for high-efficiency and shading-tolerant back contact silicon photovoltaic modules. Nat Commun 17, 3360 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70005-1

Słowa kluczowe: ogniwa słoneczne, częściowe zacienienie, krzem z tylnymi kontaktami, dioda obejściowa, moduły fotowoltaiczne