Panele fotowoltaiczne wykonywane są z pojedynczych ogniw krzemowych zwanych popularnie waflami (ang. wafer). Wymiary tych elementów decydują o podstawowych parametrach pracy paneli jak natężenie i napięcie prądu. Im większy np. wafel (pojedyncze ogniwo), tym wyższe generowane przez niego natężenie prądu. Z kolei im większa ich ilość, tym wyższe napięcie. Jakie wymiary wafli dominują obecnie na rynku, od czego zależą, czym charakteryzują się wafle o symbolu M12, a także, jak wielkość wafli wpływa na parametry pracy całych paneli? O tym wszystkim w poniższym artykule.
Od M0 do M12
Wafle krzemowe produkowane są poprzez cięcie laserowe specjalnie wyhodowanych kryształów krzemu w kształcie podłużnego walca. Stosuje sie tutaj ciągle modyfikowaną metodę Czochralskiego, o której pisałem już na stronie. Przed rokiem 2010 metodą tą udawało się wyhodować kryształy o średnicy do 165mm. Po cięciu na płytki i fazowaniu boków pojedynczy wafel miał wymiary 125x125mm. Tak małe ogniwa nie znalazły jednak szerszego zastosowania. Dopiero zwiększenie średnicy walców do 200 mm i wycięcie z nich płytek o wymiarach 156x156mm pozwoliło uzyskać parametry pracy które stały się prekursorem pierwszych pełnowymiarowych paneli PV. Płytki o tych wymiarach zostały określone jako klasa M0. Ich powierzchnia wynosiła 24092mm2. Wartość przemysłową uzyskały jednak dopiero płytki wyprodukowane z walców o nieco większej średnicy 205 i 210mm. Wycięte z nich wafle określone zostały odpowiednio klasą M1 i M2, a wymiary płytek wyniosły 156,75×156,75mm. Obie klasy różniły się tylko powierzchnią czynną z uwagi na nieco inne skosy na rogach płytek. Wafel M1 miał przez to powierzchnię 24383mm2 , a M2 24426mm2.
Rys. Wymiary wafli od M0-M5.
TABELA. Efektywna powierzchnia wafli
| Klasa wafli | M0 | M1 | M2 | M3 | G1 | M4 | M5 | M6 | M8 | M9 | M10 | M12 |
| powierzchnia w mm2 | 24092 | 24383 | 24426 | 24991 | 25199 | 25805 | 26726 | 27410 | 34212 | 36862 | 39997 | 44096 |
Wafle M2 przez długi czas dominowały na rynku. Dopiero po roku 2016 producenci zaczęli szukać obniżenia kosztów produkcji paneli zwiększając efektywną wielkość poszczególnych ogniw. Tak powstały kolejno ogniwa z walców o średnicy 211mm (klasa M4), 223mm (klasa G1 i M6).
Rys. Porównanie wymiarów płytek klasy M2 i M4.
Płytki klasy M4 miały powierzchnię 25805mm2 i wymiary 161,7×161,7mm mimo, że zostały wycięte z walca o średnicy większej zaledwie o 1mm względem płytek M2. Tajemnica tkwiła w metodzie cięcia. Różnice obu płytek pokazuję na powyższym rysunku. Klasa G1 była klasą nietypową, bowiem po raz pierwszy płytki pocięto na równe kwadraty bez ścięć narożnych (rys. poniżej).
Panele z ogniw G1 do złudzenia przypominały konstrukcje z krzemu polikrystalicznego, którego wafle są zawsze kwadratowe. Różnice można było dostrzec dopiero z małej odległości, odróżniając oba rodzaje krzemu po kolorze. Klasa G1 wycięta została z walców o średnicy 223 mm i w tej technologii powstały też płytki cięte narożnie w klasie M6 i wymiarach bocznych 166x166mm. Klasy G1 i M6 powstały w latach 2018-2019 i powoli wypierają płytki klasy M2. Dzięki ogniwom klasy M6 udało się uzyskać moce paneli ponad 350Wp.
W roku 2019 i 2020 pojawiły się jeszcze większe kryształy krzemu o średnicach 250-300mm. Tak powstały kolejne klasy ogniw od M8-M12, przy czym klasa M8 była ostatnią, przy której zastosowano cięcie oktagonalne wafli. Od klasy M9 wszystkie wafle mają kształt kwadratu, o coraz większym boku.
Rys. Klasa M9 i M10 wafl
i krzemowych. Ścięcia narożne są mikroskopijne, rzędu milimetra, dlatego można przyjąć, że ostateczny kształt jest kwadratem.
Rys. Wafel M12, obecnie największy na rynku.
Duże powierzchnie ogniw to jednocześnie znacznie większe uzyski energii z pojedynczego ogniwa. Ogniwa M2 pozwalały na moce rzędu 5,5 Wp. Klasa M12 daje już niemal 10Wp. zastosowanie 60 ogniw tej klasy w panelu daje moc wyjściową niemal 600Wp. Jeszcze lepsze parametry uzyskuje sie obecnie w panelach produkowanych w technologii ogniw ciętych na pół, tzw. half-cut. Poniżej zamieszczam tabelę prezentowaną przez DS New Energy, obrazującą możliwości poszczególnych klas wafli krzemowych zastosowanych w panelach klasycznych i wykonanych w technologii Half-cut cells. Tabela została stworzona dla maksymalnej dostępnej obecnie sprawności pojedynczego ogniwa na poziomie 22,5%.
Tabela nie obrazuje ostatecznych wymiarów paneli PV. Nie są one identyczne dla wszystkich klas wafli. Panele z ogniwami w klasie M2 miały wymiary rzędu 1600x900mm. Najnowsze panele wykonane w technologii half-cut cells ze 100 ogniwami klasy M12 zaprezentowane przez Risen Energy mają wymiary 2205x1123mm. Należy sądzić, że panele ze 120 ogniwami w tej klasie urosną do wysokości ponad 2600mm. Będzie to więc prawdziwe wyzwanie dla monterów, bo ich masa z pewnością przekroczy 30kg.