Niszczycielska moc niewidzialnego światła
Laboratoryjne pomiary przyniosły zaskakujące wyniki. Okazuje się, że UV-B działa jak przyspieszacz degradacji. Przy dawce zaledwie 0,72 kWh/m² zaobserwowano aż 31,5% wzrost kluczowego parametru, znanego jako gęstość prądu rekombinacji, ogniwach poddanych procesowi wypalania. Dla porównania: by osiągnąć połowę tego efektu przy użyciu UV-A, potrzebna była dawka 68 razy większa (49 kWh/m²). To pokazuje, jak dysproporcjonalnie silny jest wpływ tej marginalnej składowej spektrum. Jak wyjaśnia jeden z członków zespołu badawczego, Bram Hoex, promieniowanie UV-B może znacząco degradować pasywację przedniej powierzchni ogniw TOPCon, prowadząc do zwiększonej rekombinacji powierzchniowej.
Czytaj też: Nawigacja satelitarna pod wodą jest możliwa. GPS nie zadziała, ale są inne sposoby
Klucz do rozwikłania zagadki leży w energii fotonów. Fotony UV-B, o energii przekraczającej 3,4 eV, skutecznie rozrywają delikatne wiązania krzemowo-wodorowe (Si-H) w strukturze ogniwa. To bezpośrednio przekłada się na zwiększoną rekombinację nośników ładunku i spadek wydajności konwersji światła na prąd. Najbardziej niepokojące jest to, że UV-B, stanowiące zaledwie 1,5% całkowitego promieniowania UV, wyrządza większe szkody niż dominujące UV-A (98,5%). W ogniwach bez wypalania różnica jest jeszcze bardziej dramatyczna, ponieważ UV-B powodowało niemal 69% wzrost, podczas gdy UV-A jedynie 10%. Okazało się, że ogniwa TOPCon mają wbudowaną nierównowagę. Ich przednia powierzchnia jest wyjątkowo podatna na działanie UV-B, podczas gdy tylna wykazuje imponującą odporność.
Ta asymetria wynika z różnic w konstrukcji. Grubość tej ochronnej warstwy ma kluczowe znaczenie. Dopiero około 150 nm domieszkowanego polikrzemu zapewnia skuteczną barierę. Cieńsze warstwy, takie jak 50 czy 100 nm, pozostawiają ogniwo niemal bezbronne wobec niszczycielskiego działania niewidzialnego światła. Badania z użyciem spektrometrii mas ujawniły intrygujący proces. Pod wpływem promieniowania UV dochodzi do przemieszczania się atomów wodoru w kierunku granicy AlOx/(p+)Si. To właśnie zwiększone stężenie wodoru w tym obszarze koreluje ze wzrostem rekombinacji powierzchniowej. Paradoksalnie, ten sam proces częściowo tłumi inną formę degradacji – LeTID (Light- and elevated Temperature-Induced Degradation).
Ryzyko w rzeczywistych instalacjach
Problem nie jest wyłącznie akademicki. Dane z testów polowych potwierdzają skalę zagrożenia. Firma Kiwa PVEL, specjalizująca się w niezależnych badaniach fotowoltaiki, odnotowała w 2024 roku niepokojący trend. Aż 40% testowanych modułów TOPCon straciło ponad 5% mocy po ekspozycji na dawkę UV wynoszącą 60 kWh/m². To nie są marginalne straty. W przemyśle, gdzie liczy się każdy procent wydajności, takie spadki mają wymierne konsekwencje ekonomiczne. Winę ponoszą częściowo nowoczesne materiały enkapsulacyjne. Producenci, dążąc do maksymalizacji wydajności, stosują coraz częściej przezroczyste dla UV powłoki ochronne. To faktycznie pozwala ogniwom wykorzystać więcej światła, ale jednocześnie wystawia je na działanie szkodliwego promieniowania UV-B podczas normalnej eksploatacji. Raport Kiwa PVEL jednoznacznie wskazuje, że wysokowydajne technologie, w tym TOPCon, są znacznie bardziej wrażliwe na degradację UV niż starsze rozwiązania fotowoltaiczne.
Czytaj też: Beton jak rzymskie konstrukcje sprzed 2000 lat. Nowa technologia przywraca dawną trwałość budowli
Odkrycie australijskiego zespołu ma jednak pozytywny aspekt. Okazuje się, że celowe wykorzystanie UV-B w testach laboratoryjnych może znacząco przyspieszyć ocenę żywotności ogniw. Zamiast wielomiesięcznych lub nawet wieloletnich badań w warunkach naturalnych, producenci mogą teraz w ciągu dni symulować długoterminowy wpływ promieniowania na swoje produkty. To ważne narzędzie, które może przyspieszyć prace nad ulepszeniem technologii. Możliwość szybkiego testowania różnych konfiguracji warstw ochronnych i materiałów enkapsulacyjnych daje szansę na znalezienie optymalnego balansu między wysoką wydajnością a długotrwałą trwałością. Nie jest to koniec drogi dla technologii TOPCon, ale wyraźny sygnał dla branży. Fotowoltaika stoi przed wyzwaniem pogodzenia dążenia do coraz wyższych sprawności z koniecznością zapewnienia trwałości w realnych warunkach. Problem degradacji przez UV-B pokazuje, że czasem najmniej oczekiwane czynniki mogą mieć największy wpływ na żywotność instalacji.