В наш час здивувати когось сонячними панелями вже важко, але тим не менше дуже мало людей знають про те, із чого складаються ці дивогенератори струму. Все значно простіше, ніж може здаватись. Отже поїхали.

На кремнієвих сонячних батареях є металізовані тонкі стрічки прямокутної форми, надруковані на лицевій та задній сторонах панелей фотогальванічного сонячного елемента.

Ці металеві контакти називаються шинами і мають визначальну мету: вони проводять постійний електричний струм, який генерує сонячна фотоелектрична комірка.

Часто шини сонячних батарей складаються з міді, що покрита сріблом. Срібне покриття необхідне для підвищення провідності (лицева сторона), а також для зниження окислення (тильна сторона).

Смужки сонячного елемента

Перпендикулярно до шин розміщена вужча металева контактна сітка смужок. Вони збирають згенерований площею фотовольтаїчної комірки струм та транспортують до шин – струмозйомних контактів.

Ці контакти – шини та смужки – надруковані на поверхні сонячного фотогальванічного елемента за допомогою технології, яку називають трафаретним друком.

Провідники

Сонячні фотоелектричні елементи повинні бути скомпоновані послідовно, утворюючи ряди (подібно до послідовного з’єднання пальчикових батарейок при якому напруга кожної додається), щоб отримати відповідну електричну напругу на виході панелі.

Провідники припаюють вручну або автоматично за допомогою робота-стрінгера до шин сонячного елемента та з’єднують окремі елементи в серії з низьким послідовним опором.

Провідники виготовляються з круглого в перерізі мідного проводу, за допомогою процесу прокатки, який покрито шаром припою для забезпечення легкої пайки.

Шини

Групу стрічок з сонячних елементів з виведеними провідниками об’єднують паралельно шинами, які потім переносять сумарний струм від усіх елементів до розподільної коробки модуля.

Оскільки провід шини має переносити більшу силу струму, ніж провідники, він також повинен бути товщим і ширшим, щоб забезпечити менший опір на одиницю довжини.

Шина також виготовлена з міді.

Розробка дизайну контактів

Ключовим компромісом при проектуванні лицевого контакту є досягнення оптимального балансу між зменшенням втрат провідності, що пов’язано із широко рознесеною сіткою смужок і збільшенням відбиття, викликаного високою часткою металевого покриття верхньої поверхні сонячного елемента.

У зв’язку з цим, необхідними параметрами є висота та ширина смуг, ширина смужок «війок» сонячних елементів, відстані між смужками та смугами, а також тип металу та його якість.

Зростаючою тенденцією в галузі є переосмислення проектування та виробництва сонячних елементів, що в подальшому підвищить ефективність та надійність, а також значно знизить матеріальні витрати – особливо це стосується срібної пасти, що використовується для виготовлення шинопроводів.

Багатосмугові сонячні елементи

Сонячні елементи з трьома смугами

Найбільш поширеним дизайном сонячних елементів є дизайн з трьома надрукованими смугами шини.

Сонячні елементи з п’ятьма смугами

Наразі система з п’ятьма смугами шин є одним із провідних напрямків проектування сонячних елементів та модулів.

Деякі великі виробники сонячних панелей, такі як Trina Solar, Amerisolar, RisenSolar, Jasolar, все частіше зосереджують увагу при виробництві фотовольтаїчних сонячних панелей, використовуючи сонячні елементи з п’ятьма смугами шин.

При зростанні числа шин зменшується відстань між ними, що приводить до зниження втрат внутрішнього опору.

Хоча більша кількість шин збільшує затінення фотоелектричного елемента, однак загальна ефективність багатоконтактних елементів залишається набагато вищою, ніж у звичайних двосмугових чи трьохсмугових елементів.

Збільшення кількості шин зменшує ефективну довжину смужок між ними, що зменшує втрати смужок, а також вплив мікротріщин.

Сонячні батареї виготовлені з дуже тонких пластин, у середньому близько 0,20 мм товщини. Вони мають певну гнучкість, але при натиску можуть пошкоджуватись. При цьому виникають тріщини, які настільки малі, що їх неможливо розгледіти неозброєним оком. Їх називають мікротріщинами.

Технологія LG CELLO

Конструкція багатосмугових потоншених шин також дозволяє знизити витрати на коштовній срібній пасті.

Прикладом цього є технологія провідників CELLO компанії LG. Термін «CELLO» (Cell connection with Electrically Low loss, Low stress, and Optical absorption enhancement) означає “з’єднання комірок з низькими електричними втратами, механічним напруженням та покращеним оптичним поглинанням”.

LG Electronics замінила 3 стандартні шини на 12 тонших, округленої форми провідників, які покривають всю поверхню сонячних елементів.

Технологія LG CELLO представлена у модулі NeON 2 PV. 

Безсмугові сонячні елементи

Деякі виробники, такі як Solaria відмовились від концепції багатосмугових шин та рухаються зовсім іншим шляхом. Компанія використовує пересічні сонячні фотоелектричні сегменти елементів, які безпосередньо електрично з’єднані один з одним.

Переваги сонячних елементів без шин очевидні:

• Зменшення незадіяного простору між сонячними елементами.
• Більш гнучкий дизайн розміру модуля – стандартний дизайн модуля обмежується розміром сонячного елемента та вимогами щодо інтервалу між ними.
• Значне зниження втрат потужності при затіненні частини модуля
• Менше утворення мікротріщин при відсутності пайки елементів
• Збереження витрат на матеріал шин

Зниження вартості шин

Сонячні елементи з багатосмуговими шинами так і безсмугові зосереджені на підвищенні продуктивності та надійності, тоді як існують також інші підходи спрямовані на зменшення матеріальних витрат. Проводяться заходи по мінімізації вмісту срібла в шинах, наприклад, виготовлення смуг конструкційно штрих-пунктирною лінією, або ж повною заміною срібла при металізації сонячного елемента альтернативними матеріалами, такими як олово або нікель.

Штрихпунтирні шаблони шин

В останні роки в промисловості з’явилась більш економічно вигідна альтернатива стандартним суцільним шинам – пунктирні шини, що зменшують використання дорогої срібної пасти.

Існують різні типи пунктирних шин: 3-смугові, 5-смугові, 6-смугові, і навіть, 8-смугові.

Дослідження показали, що шини з даною конструкцією більш чутливі до потенційного розтріскування і проблем втрати потужності, що зростають з кількістю розривів, що спричинені нагріванням та розтріскуванням на кутах шини сонячного елемента, таким чином, збільшується кількість розривів.

Оптимізація провідників: круглі провідники

Провідники також можна покращити для оптимізації роботи сонячних батарей. Це можливо завдяки використанню круглих в перерізі провідників, що забезпечують – у порівнянні з прямокутними провідниками- менше затінення через меншу площу поверхні.