(U)chwycić słońce

Obecnie możemy rozróżnić ponad kilkadziesiąt typów konstrukcji ogniw fotowoltaicznych. Istnieje kilka różnych kryteriów ich podziału i klasyfikacji. Od typu zastosowanych ogniw zależą bezpośrednio parametry techniczne modułów PV, a co za tym idzie i całej instalacji. Na komercyjnym rynku około 85% dostępnych ogniw to te, które zbudowane są z krzemu. Ogniwa monokrystaliczne, polikrystaliczne oraz quasi-monokrystaliczne produkowane są z krzemu krystalicznego. Typ ogniwa, z którym mamy do czynienia, możemy łatwo sklasyfikować po jego kolorze i odcieniu.

Ogniwa monokrystaliczne oznaczane jako MONO c-Si produkowane są z jednego dużego kryształu krzemu. Posiadają zazwyczaj barwę ciemnoniebieską do czarnej. Charakteryzują się najwyższą sprawnością (18-22%) oraz najwyższym wskaźnikiem spadku mocy wraz ze wzrostem temperatury wśród powszechnie dostępnych modułów PV. Typ ten jest też zazwyczaj także najdroższy w przeliczeniu na wat zainstalowanej mocy.

Z kolei ogniwa polikrystaliczne wykonane z wykrystalizowanego krzemu i oznaczane jako POLY/MULTI c-Si są przeważnie o barwie jasnoniebieskiej oraz z wyraźnie zarysowanymi kryształami krzemu. Ten typ baterii słonecznych charakteryzuje się wysoką sprawnością (14-18%) oraz wysokim wskaźnikiem spadku mocy wraz ze wzrostem temperatury (zazwyczaj niższym od modułu mono). Przeważnie jest także tańszy w przeliczeniu na wat zainstalowanej mocy od modułu monokrystalicznego.

Moduł z ogniw quasi-monokrystalicznych, oznaczanych także jako mono-like-multi lub cast-mono, należy do stosunkowo młodych typów modułów PV (upowszechniony na rynku na przełomie 2011/2012 r.). Zbudowany jest z hybrydowych ogniw, jego centralna część jest monokryształem, a na obrzeżach znajduje się krzem polikrystaliczny. Zaletą tego typu modułu jest wysoka sprawność zbliżona do sprawności modułów monokrystalicznych, przy zachowaniu niższej ceny i niższego wskaźnika spadku mocy w wysokich temperaturach.

Natężenie promieniowania słonecznego padającego na moduł oraz kąt, pod jakim to promieniowanie pada, a także temperatura mają największy wpływ na moc modułu. Stąd wartość tego parametru podaje się jako wartość dla natężenia promieniowania słonecznego wynoszącego 1000 W/m² w temperaturze 25 stopni C. Jednostką mocy jest Wp (watt peak).

Z bezpostaciowego, niewykrystalizowanego krzemu wykonane są z kolei ogniwa amorficzne. Charakteryzuje je bordowy do czarnego kolor oraz brak widocznych kryształów krzemu. Wyróżniają się sprawnością na poziomie 6-10%, a także niską ceną. Zaletą modułów amorficznych jest bardzo niski wskaźnik spadku mocy wraz ze wzrostem temperatur. Słabo natomiast zagospodarowują niskoenergetyczne promieniowanie podczerwone. W celu poprawy sprawności i efektywności moduły z krzemu amorficznego wypierane są przez hybrydy zbudowane z połączonych ze scalenia w ramach jednego ogniwa warstw krzemu amorficznego i mikrokrystalicznego μc - Si. Dodanie złącza z krzemu mikrokrystalicznego pozwala zwiększyć wydajność modułu w słabych warunkach oświetlenia oraz poprawić sprawność układu.

Ogniwa CdTe wykonane są z wykorzystaniem półprzewodnikowego tellurku kadmu CdTe (o bardzo wysokim współczynniku absorpcji). Wizualnie w module brak jest wyróżniających się ogniw, które tworzą jedną zwartą formację o barwie czarnej. W tej technologii zazwyczaj cały moduł zbudowany jest z jednego ogniwa, a jego sprawność wynosi 10-12%. Z uwagi na bardzo niskie zużycie półprzewodnika ogniwa oparte o tellurek kadmu charakteryzują się dobrym stosunkiem ceny do mocy. Posiadają także niski wskaźnik spadku mocy wraz ze wzrostem temperatury.

W ogniwach CIGS rolę materiału półprzewodnikowego pełni mieszanina miedzi, indu, galu i selenu, tzw. CIGS/CIS (99% światła padającego na ten materiał jest absorbowane w pierwszym mikrometrze powierzchni). W module brak jest wyróżniających się ogniw, które tworzą jedną zwartą formację o barwie czarnej. Jego sprawność wynosi 12-14%, dobrze też zagospodarowuje niskoenergetyczne promieniowanie rozproszone. W przypadku ogniw opartych o CIGS możliwa jest produkcja metodą przemysłowego druku, który jest bardzo tanim i wydajnym sposobem.

Ogniwa CdTe, CIGS/CIS, a także niektóre ogniwa z krzemu amorficznego to tzw. ogniwa cienkowarstwowe, w których warstwa aktywnego półprzewodnika ma grubość kilku mikrometrów (nie przekraczają 20 μm). Jest ona cieńsza niż w przypadku ogniw z krzemu poli- czy mono-krystalicznego blisko stukrotnie. Stąd ogniwa cienkowarstwowe, dzięki znacznej redukcji zużycia półprzewodników, charakteryzują się korzystnym stosunkiem ceny do mocy. Niewielka grubość zastosowanych warstw oraz ich polikrystaliczna struktura pozwalają na zwiększenie ich plastyczności.

A co z innymi rozwiązaniami?

Za przykład mogą posłużyć ogniwa słoneczne do przetworzenia energii słonecznej w elektryczną wykorzystujące barwniki organiczne.
Ogniwa barwnikowe (DSSC) - ich działanie oparte jest na zasadzie sztucznej fotosyntezy - składają się z nanokomórek zawierających syntetyczny barwnik, będący odpowiednikiem roślinnego chlorofilu. Technologia ta umożliwia czerpanie energii z promieni słonecznych przy świetle rozproszonym i odbitym. Mogą pracować obustronnie, są niemal całkowicie przejrzyste (istnieje również możliwość doboru barw), stąd można je montować w pomieszczeniach jako przejrzyste ścianki albo w świetlikach dachowych. Ich produkcja odbywa się prostą metodą sitodruku. Póki co osiągają sprawność na poziomie 10-12% (15% w warunkach laboratoryjnych). Ogniwa te charakteryzują się bardzo małą masą oraz elastycznością. Takie właściwości umożliwiają ich produkcję w postaci cienkiej, lekkiej folii, którą bez problemu można zginać, złożyć lub zwinąć. Dzięki temu panele słoneczne zbudowane z takich ogniw mogą być zainstalowane na powierzchni o dowolnym kształcie, a ich transport i instalacja są bardzo proste. Aktualnie trwają eksperymenty nad DSSC na ciele stałym z wykorzystaniem perowskitu. Właśnie perowskity mają dużą szansę, by zastąpić krzem w ogniwach słonecznych.

Cóż to takiego te perowskity i dlaczego w ostatnim czasie sporo o nich w Polsce słychać? Jest to grupa nieorganicznych związków chemicznych występujących w przyrodzie - np. w skałach. Choć znane są już od XIX w., to dopiero kilka lat temu odkryto, że stanowią doskonały materiał do produkcji ogniw słonecznych.
Z pewnością do medialnego zainteresowania ww. w Polsce przyczynił się sukces pani Olgi Malinkiewicz, która opracowała prosty i tani sposób produkcji tego niezwykłego materiału, za co pod koniec marca tego roku została nagrodzona podczas konferencji Photonics21. Co ciekawe, cytując panią Malinkiewicz: „Nie potrzeba do tego skomplikowanych urządzeń, czy drogich materiałów. Gdybym się uparła, mogłabym je wytwarzać nawet w domu, w kuchni".
Perowskity - podobnie jak krzem - pochłaniają światło widzialne (o długości 300-800 nm) w taki sposób, że można z nich odzyskiwać energię elektryczną. Do tego świetnie rozpuszczają się w rozpuszczalnikach, dzięki czemu można je będzie nanieść sprayem na dowolne powierzchnie, a do ich wytwarzania nie są potrzebne wysokie temperatury. Substancję można więc będzie nanosić na dowolny materiał - odzież, plastik czy nawet papier. Ponadto warstwa tego materiału może być nawet 10 razy cieńsza niż warstwa krzemu (np. 200-300 nm). Z perowskitów można tworzyć nawet półprzezroczyste warstwy. Robi duże wrażenie stwierdzenie „…że energię elektryczną będzie mogła produkować np. naklejka przyklejona na szybę" - podaje przykład p. Malinkiewicz. Póki co perowskity udaje się wytwarzać na niewielkich powierzchniach; rekordowej wielkości materiał ma dopiero powierzchnię 1 cm x 1 cm. Nie są to więc jeszcze na tyle duże powierzchnie, by wykorzystywać perowskity w dużych ogniwach słonecznych. Teoretycznie granica sprawności tego materiału wynosi około 31%.

Naukowcy nie zasypiają gruszek w popiele, stąd można znaleźć już doniesienia o stworzeniu np. papieru, który charakteryzuje się przezroczystością 96% i 60% rozpraszaniem. Czyli jest to idealny materiał dla ogniw fotowoltaicznych. W większości innych materiałów przezroczystość i rozpraszanie nie idą w parze - materiały o przezroczystości rzędu 90% cechuje rozpraszanie oscylujące w granicach 20%. Póki co nie ma na świecie drugiej substancji o tak dobrych właściwościach.

Co pokażą dalsze badania będziemy śledzić... Na razie najlepszą wydajnością mogą pochwalić się ogniwa należące do tzw. ogniw wielozłączowych, o wydajności niemal 45%, choć może podczas pisania tego artykułu padł kolejny rekord.

Na zakończenie trochę liczb, które pokażą, jak i gdzie najlepiej rozwija się rynek fotowoltaiczny.

Główni producenci modułów fotowoltaicznych w 2013 roku

Chiny są największym na świecie producentem paneli słonecznych. Na ten kraj przypada około 65% światowej produkcji. Do Unii Europejskiej trafia około 80% chińskiego eksportu paneli.

Produkcja energii elektrycznej w PV w Unii Europejskiej w 2012 i 2013 roku (GWh)

Moc w systemach PV na mieszkańca (Wp/os.) w UE w 2013 r.

Moc nowo zainstalowana w systemach PV w UE w roku 2012 i 2013 (MWp)

Moc całkowita w systemach PV w UE w roku 2012 i 2013 (MWp)

Tabele i wykres - źródło: EurObserv’ER 2014.


No i jak my wyglądamy na tle powyższych danych?


A w następnym artykule przyjrzymy się BIPV – fotowoltaice zintegrowanej z budownictwem.