Fotowoltaika odpowiedzią na rosnące ceny paliw kopalnych?

• Strona główna
• Artykuły
• Fotowoltaika odpowiedzią na rosnące ceny paliw kopalnych?

2017-06-14  / Autor: Tomasz Baran

Źródeł technologii fotowoltaicznych należy szukać w rozwoju technologii kosmicznych, bowiem pierwszym zastosowaniem ogniw fotowoltaicznych były właśnie pojazdy kosmiczne. Energia elektryczna produkowana jest w wyniku konwersji energii świetlnej dzięki występowaniu tzw. efektu fotowoltaicznego. O sukcesie tej technologii niech świadczą statystyki, według których jeszcze 10 lat temu skumulowana moc zainstalowanych na całym świecie ogniw słonecznych wynosiła około 6890 MW, zaś pięć lat temu wartość ta wzrosła aż do ok. 67 350 MW. Europa jest liderem pod względem produkcji energii elektrycznej ze światła – ponad 70% paneli zamontowanych jest na naszym kontynencie.

Czym jest fotowoltaika?

Moduł fotowoltaiczny składa się z połączonych ze sobą ogniw, których liczba uwarunkowana jest typem ogniwa oraz przeznaczeniem modułu. Na rynku znane są trzy generacje ogniw fotowoltaicznych, które pojawiały się wraz z rozwojem branży. Zostaną one omówione poniżej. Jednak bez względu na generację układy fotowoltaiczne mają wspólną ideę działania, więc można powiedzieć, iż ogniwa oparte na homozłączu, heterozłączu lub nanostrukturyzowanych materiałach nieorganicznych bądź organicznych działają według tych samych reguł.

Sercem ogniwa fotowoltaicznego jest absorber światła (półprzewodnik), który w wyniku naświetlania światłem o odpowiedniej długości fali (energii) generuje pary elektron-dziura. Wytworzone ładunki są separowane – elektrony kierowane są do wysokoenergetycznego kontaktu, a dziury przeciwnie.

Obecnie ponad 80% ogniw dostępnych na rynku europejskim to ogniwa krzemowe, w nich jednak znaczna część promieni słonecznych odbija się od powierzchni paneli, obniżając przez to ich wydajność.

Aktualnie prowadzone są badania, będące na różnym stopniu zaawansowania, a mające na celu zwiększenie wydajności, poprawę żywotności, zmniejszenie masy ogniw, jak i zredukowanie ceny ich produkcji. Do najważniejszej grupy badań należą te nad nowymi materiałami odgrywającymi rolę absorbera.

Ważne jest bowiem, aby absorber taki cechował się dobrymi paramentami absorpcji światła, dużą wydajnością generowania ładunków, niską wydajnością rekombinacji dziur z elektronami, a także odpornością na fotokorozję, czyli dużą stabilnością.

Ogniwa pierwszej generacji

Budulcem ogniw pierwszej generacji jest bardzo czysty krzem krystaliczny w postaci wafla o grubości 0,2-0,3 mm, który to materiał jest neutralny dla środowiska i podlega recyklingowi. Ogniwa tego typu opanowały znaczną część rynku, a ich udział przekracza 70-75%. Ten znaczny udział zawdzięczają ogniwa krzemowe wysokiej wydajności działania, sięgającej ponad 20%. Krzem o tej klasie czystości (99,99999%) jest jednak materiałem drogim, co wspólnie z wysokimi kosztami produkcji (mała automatyzacja) skutkuje wysoką ceną ogniw.

Ogniwa krzemowe dzielą się na te zbudowane w oparciu o monokrystaliczny, polikrystaliczny lub amorficzny krzem, spośród których te pierwsze odznaczają się najwyższą sprawnością, ale i najwyższą ceną. Ogniwa polikrystaliczne, których udział w rynku jest bardzo duży dzięki obniżeniu kosztów wytwarzania, mogą z kolei zaoferować kilkuprocentowo mniejszą sprawność w porównaniu do tych opartych na monokrysztale Si. Choć krzem jest nietoksyczny i bezpieczny dla środowiska, to proces wytwarzania ogniw krzemowych jest bardzo energochłonny i wymaga stosowania nieprzyjaznych środowisku związków i to już na etapie oczyszczania krzemu metalurgicznego.

Krzem monokrystaliczny otrzymuje się na potrzeby fotowoltaiki metodą Czochralskiego, w której to krzem polikrystaliczny topiony jest w kwarcowym tyglu wraz z domieszkami innych pierwiastków w celu uzyskania krzemu typu n lub p. Z kolei krzem polikrystaliczny, czyli ziarna o jednej orientacji krystalograficznej, o wielkości rzędu milimetrów do 10 cm, wytwarzany jest podczas kontrolowanego roztapiania i ponownego krzepnięcia krzemu.

W ogniwach krzemowych zastosowanie znajdują również krzemowe taśmy i folie, uzyskiwane na drodze EFG (ang. Edge-Defined Film-Fed Growth). Metoda ta to nic innego jak wyciąganie z roztopionego substratu taśmy przy użyciu matrycy grafitowej.

Ogniwa drugiej generacji

Ogniwa drugiej generacji oparte są, podobnie jak ogniwa krzemowe, na złączu P-N, lecz jako fotoaktywny materiał wykorzystuje się np. tellurek kadmu, selenek miedziowo-indowy, selenek miedziowo-indowo-galowy lub też krzem amorficzny.

Ogniwa drugiej generacji wyróżniają się niezwykle cienką warstwą półprzewodników (rzędu kilku mikrometrów), przez co koszt ich wytworzenia jest znacznie niższy niż w przypadku ogniw krzemowych. Wysoka automatyzacja produkcji dodatkowo obniża koszty ich wytworzenia.

Niestety, ogniwa takie charakteryzują się również niższą sprawnością konwersji energii świetlnej na elektryczną, przez co nie zdobyły takiego uznania wśród producentów i konsumentów, jak ogniwa krzemowe, a ich obecny udział w rynku szacuje się na około 15%. Są jednakże obszary zastosowań, w których moduły zbudowane z takich ogniw są pożądane, gdyż z cienkich folii można produkować elastyczne, jak i niezwykle lekkie moduły, które mogą być użyte jako elementy budowlane, tzw. elementy zintegrowane z budynkiem (instalacje typu BIPV).

Ogniwa oparte na tellurku kadmu cechują się niższą ceną produkcji przy zachowaniu stosunkowo dużej sprawności, ustępującej jedynie nieznacznie polikrystalicznym ogniwom krzemowym. Wytwarzane są one na szkle przewodzącym ITO, które pokrywa się cienką warstwą siarczku kadmu (półprzewodnik typu N) oraz tellurku kadmu (półprzewodnik typu P). Należy w tym miejscu podkreślić toksyczność i negatywny wpływ środowiskowy takich ogniw.

Z kolei ogniwa oparte na CuInSe2 produkowane są najczęściej przez naparowanie próżniowe powłoki z CdS na powierzchni kryształu CuInSe2. Znane są również inne metody, m.in. rozpylanie katodowe, epitaksję wiązką molekularną czy rozpraszanie pirolityczne.

Ogniwa trzeciej generacji

DSSC (Dye Sensitized Solar Cells), czyli uczulane barwnikami ogniwa słoneczne zwane ogniwami Grätzela należą do grupy ogniw trzeciej generacji. W odróżnieniu od powyżej opisanych ogniw pierwszej i drugiej generacji nie opierają się na złączu P-N, a do ich produkcji nie używa się drogich i rzadkich materiałów bazowych.

Zasada ich działania opiera się na odwracalnym procesie fotochemicznym, w którym absorberem światła jest barwnik. Najczęściej ogniwo takie zbudowane jest z dwóch transparentnych równoległych tafli szkła przewodzącego, oddalonych od siebie o kilkadziesiąt mikrometrów. Tafla, będąca fotoanodą, pokryta jest dwutlenkiem tytanu zmodyfikowanym metaloorganicznym barwnikiem. Z kolei fotokatodę stanowi druga płyta szkła pokryta nanoplatyną.

Wolna przestrzeń międzyelektrodowa wypełniona jest elektrolitem, zawierającym odwracalny układ redoksowy, najczęściej w postaci pary redoks I-/I3.

Cechą charakterystyczną ogniw trzeciej generacji jest ich duża elastyczność. Oprócz ogniw barwnikowych do ogniw trzeciej generacji zaliczane są również organiczne i polimerowe ogniwa fotowoltaiczne, a także tzw. CPV (ang. Concentrated Photovoltaics), czyli technologia skupiania promieni słonecznych na absorberze, którym jest ogniwo słoneczne.

Ogniwa trzeciej generacji są ogniwami innowacyjnymi, które obecnie dopiero budują swoją pozycję na rynku, a ich udział szacuje się na co najwyżej kilka procent. Niski udział w rynku wynika zarówno z wysokiej ceny takich ogniw, jak i z ich niższej wydajności oraz stosunkowo niższej żywotności w stosunku do ogniw krzemowych.

W organicznych ogniwach fotowoltaicznych absorpcja światła, jak i transfer wytworzonych ładunków odbywa się poprzez komponenty organiczne. Ogniwa te, jak i ogniwa polimerowe są niezwykle elastyczne, co umożliwia ich stosowanie w budownictwie.

Kolejną zaletą ogniw organicznych jest dość tani i nieskomplikowany proces wytwarzania, zaś do wad należy niska skuteczność, nieprzekraczająca 10%. Zazwyczaj ogniwo organiczne składa się z pojedynczej warstwy półprzewodnika organicznego pomiędzy elektrodami: szkłem przewodzącym i materiałem dobrze przewodzącym prąd. Równolegle rozwijane są liczne koncepty ogniw fotowoltaicznych, będące obecnie na różnym poziomie gotowości technologicznej, spośród których warto wymienić ogniwa wykorzystujące kropki kwantowe lub perowskity.

Przemysł fotowoltaiczny w Polsce

Według raportu Instytut Energetyki Odnawialnej, w Polsce w 2015 r. działały 382 firmy z branży fotowoltaicznej. Dominującą grupą są przedsiębiorstwa zajmujące się sprzedażą lub montażem instalacji fotowoltaicznych.

W zakresie wytwarzania paneli fotowoltaicznych oraz pozostałych komponentów instalacji funkcjonuje 16 producentów, a wśród czołowych firm krajowych można wskazać m.in. ML System, FreeVolt, SELFA - photovoltaics, Hymon Energy, Bruk-Bet Solar, PVTEC, XDISC, Jabil oraz Solar Energy.

Szacuje się, iż wszyscy krajowi producenci są w stanie rocznie wyprodukować instalacje fotowoltaiczne o łącznej mocy około 600 MW. Należy podkreślić, iż w ciągu ostatnich lat rynek fotowoltaiczny w Polsce systematycznie i dynamicznie rośnie, nawet pomimo niepewnej sytuacji prawnej w tym sektorze. W odniesieniu do rynku Unii Europejskiej, polscy producenci stanowią bardzo niewielki odsetek, a do liderów należą Niemcy (48% udziałów w rynku), Włochy (25%) i Hiszpania (8%). Co ciekawe jednak, rynek fotowoltaiki w Polsce przyspiesza, podczas gdy w wielu europejskich krajach wyhamowuje.

Podstawowym produktem wyżej wymienionych firm są krzemowe moduły fotowoltaiczne, czyli ogniwa pierwszej generacji. Są one modyfikowane w rozmaity sposób, w zależności od producenta, m.in. poprzez wykorzystanie szkła hartowanego, dodanie tylnej folii ochronnej, wykorzystanie folii hermetyzującej podnoszącej trwałość ogniwa, zastosowanie diod by-pass zapobiegających przegrzaniu się ogniw słonecznych (efekt hot-spot), czy wreszcie udoskonaleniu mającemu na celu łatwiejszy montaż paneli.

Należy niestety podkreślić, że zaledwie kilku producentów paneli słonecznych w Polsce oferuje innowacyjne rozwiązania z branży fotowoltaicznej. Większość skupia się jedynie na monokrystalicznych lub polikrystalicznych ogniwach pierwszej generacji. Niemniej należy zauważyć, iż produkcja ogniw fotowoltaicznych jest w Polsce bardzo młodą branżą, której początków należy szukać w 2009 r., gdy firma Solar-Energy (obecna nazwa) z Warszawy rozpoczęła produkcję układów fotowoltaicznych z ogniw krzemowych, stwarzając konkurencję dla modułów importowanych głównie z Chin i Niemiec.

CAŁY ARTYKUŁ ZNAJDĄ PAŃSTWO W NR 3/2017 "CHEMIA I BIZNES". ZAPRASZAMY

fotowoltaikaenergetyka