Panele fotowoltaiczne jakie są, każdy widzi. Czy aby na pewno? Wyróżniamy wiele rodzajów ogniw oraz paneli PV. Czy różnią się tylko nazwą i wyglądem? Otóż nie. Różnic między nimi jest sporo i warto je znać, decydując się na zakup konkretnego rozwiązania. Dziś biorę na tapet różne rodzaje ogniw fotowoltaicznych i analizuję różnice między nimi. I robię to w sposób, którego próżno szukać w większości źródeł popularnonaukowych polskiego Internetu. W artykule omawiam aż trzy generacje ogniw fotowoltaicznych oraz technologie eksperymentalne, a więc nawet te rozwiązania, które nie są powszechnie stosowane w energetyce prosumenckiej i zawodowej.
Spis treści:
- Pierwsza generacja ogniw fotowoltaicznych
- Druga generacja ogniw fotowoltaicznych
- Trzecia generacja ogniw fotowoltaicznych
- Perspektywy rozwoju ogniw fotowoltaicznych
Artykuł skupia się na zaprezentowaniu cech charakterystycznych dla danego typu ogniw lub też, w niektórych rozwiązaniach, paneli fotowoltaicznych. Podstawową wiedzę na temat budowy i działania ogniw i systemów fotowoltaicznych znajdziesz w artykule pt. Jak działa fotowoltaika, czyli jak się robi prąd ze słońca?
Słowem wstępu powiem tylko, że panele fotowoltaiczne składają się z modułów, które z kolei zbudowane są z licznych połączonych ze sobą ogniw. Bardzo często w nomenklaturze zacierają się różnice między tymi wyrażeniami, wprowadzając – szczególnie u osób mniej rozeznanych w temacie – pewne problemy w zrozumieniu zagadnienia.
Poniżej będę zamiennie stosowała wyrażenia: ogniwo fotowoltaiczne, ogniwo słoneczne oraz ogniwo, a także panel fotowoltaiczny, panel PV oraz panel.
Często będę również używała wyrażenia przerwa energetyczna lub tożsamych przerwa zabroniona, pasmo wzbronione i pasmo zabronione. Oznacz ono energię obszaru półprzewodnika między pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa.
Pierwsza generacja ogniw fotowoltaicznych
Należą do niej ogniwa grubowarstwowe czyli wykonane z krystalicznego krzemu. Jest to grupa najczęściej stosowanych przez prosumentów oraz elektrownie słoneczne rozwiązań fotowoltaicznych. Mimo że mówimy o generacji ogniw, to z racji komercyjnego wykorzystania ich w gotowych systemach, częściej spotkamy się z nazwami „panel monokrystaliczny” i „panel polikrystaliczny” niż ogniwo.
Ogniwa/panele monokrystaliczne (Mono-SI)
Jak sama nazwa wskazuje, te ogniwa wytwarzane są z pojedynczego kryształu krzemu (monokryształu). Dzięki temu zawierają mniej defektów strukturalnych niż ogniwa polikrystaliczne. Przekłada się to na większą wydajność i sprawność ogniw monokrystalicznych (w warunkach normalnej pracy ponad 20%, natomiast laboratoryjnie ponad 26%), a także dłuższą żywotność.
Do produkcji monokryształu półprzewodnika krzemowego najczęściej stosuje się technologię opracowaną przez polskiego chemika Jana Czochralskiego, nazwaną od jego nazwiska metodą Czochralskiego. I tu właśnie leży minus ogniw monokrystalicznych. Ze względu na dość skomplikowany i czasochłonny proces produkcji, ogniwa są droższe od polikrystalicznych.
Cechą charakterystyczną ogniw i całych wytworzonych z nich paneli monokrystalicznych jest przeważnie czarny kolor oraz brak widocznej struktury kryształu.
Ogniwa/panele polikrystaliczne (Poly-SI)
Polikryształem nazywamy ciało stałe zbudowane z wielu monokryształów. Z uwagi na taką budowę, ogniwa polikrystaliczne są mniej wydajne od monokrystalicznych oraz posiadają charakterystyczny krystaliczny wzór na swojej powierzchni oraz niebieski kolor. Ich sprawność wynosi zwykle około 15% (laboratoryjnie udało się osiągnąć około 20% sprawności).
Łatwiejszy proces produkcji niż ogniw monokrystalicznych powoduje, że ogniwa te są tańsze. Nie przekłada się to jednak na większe zainteresowanie branży energetycznej tym rozwiązaniem. Według statystyk z 2021 roku ogniwa polikrystaliczne pokrywały 13% rynku, podczas gdy monokrystaliczne około 82%. Dużą wadą rozwiązań polikrystalicznych jest to, że są bardziej podatne na degradujący wpływ wysokiej temperatury.
Często ten typ ogniw wykorzystywany jest do zasilenia małych sprzętów elektronicznych, np. kalkulatorów, lampek ogrodowych, itp.
Porównanie typów ogniw
To, co jest zaletą jednego typu ogniw, będzie wadą drugiego. Tak oto prezentuje się zestawienie cech obu powyższych rodzajów ogniw.
| cecha ogniwa | ogniwo monokrystaliczne | ogniwo polikrystaliczne |
| sprawność [%] | powyżej 20% – większa sprawność niż ogniw polikrystalicznych | około 15% – mniejsza sprawność niż ogniw monokrystalicznych |
| żywotność | wyższa niż dla ogniw poli | niższa niż dla ogniw mono |
| cena | droższe niż ogniwa poli | tańsze niż ogniwa mono |
| udział w rynku | 82% rynku | 13% rynku |
| wygląd | czarne ogniwa z jednorodną strukturą | niebieskie ogniwa z widoczną krystaliczną strukturą |
Suma sumarum różnice między oboma typami ogniw krzemowych nie są aż tak spektakularnie duże, a wybór konkretnej opcji zależy od konkretnej sytuacji i zastosowania. W przypadku ogniw monokrystalicznych płacimy wyższą cenę za trochę większą wydajność. Niezależnie jednak od wybranego rodzaju paneli, kupujemy i tak jednakową moc wyjściową.
Druga generacja ogniw fotowoltaicznych
Zaliczamy do niej rozwiązania cienkowarstwowe z różnych materiałów, nie tylko krzemu jak w pierwszej generacji. Mamy więc m.in. tellurek kadmu, krzem amorficzny, przeróżne mieszanki selenu, miedzi, indu i galu. Nazwa „cienkowarstwowe” pochodzi stąd, że warstwa światłoczuła jest bardzo cienka – poniżej 0,1 mm. Oznacza to mniej materiału potrzebnego na wytworzenie ogniw w tej technologii, co przekłada się na niższą cenę ogniw niż tych z poprzedniej grupy. Cienka warstwa ogniw posiada często również dodatkową zaletę w postaci elastyczności. To właśnie ogniwa tej generacji można używać jako komponentów budowlanych, np. „fotowoltaiczne dachówki” i inne tego typu pomysły. Zastosowanie znajdują przeważnie jako elektrownie fotowoltaiczne zintegrowane z budynkami.
Materiałem budulcowym ogniw tego typu są krzem, kadm lub miedź. Cienką warstwę (lub kilka warstw) materiału fotowoltaicznego umieszcza się na odpowiednio przygotowanym podłożu np. szkle, plastiku albo metalu. Przekłada się to na zdecydowanie mniejsze zużycie materiałów oraz szybki proces produkcji, co z kolei przekłada się na niższą cenę tego rozwiązania. Dodatkowo elastyczność tych ogniw umożliwia ich implementację w naprawdę różnych zastosowaniach. Są one również odporniejsza na wysokie temperatury.
Niestety wadą ogniw cienkowarstwowych jest ich stosunkowo niska sprawność, przez co do stworzenia instalacji określonej mocy potrzebne jest więcej ogniw, a więc i powierzchni, niż w przypadku ogniw pierwszej generacji. Ponadto ich żywotność również jest krótsza niż w rozwiązaniach mono- i polikrystalicznych. Sumarycznie jednak TFSC zużywają zdecydowanie mniej materiałów (nie tylko fotowoltaicznych), a proces ich produkcji jest prostszy i szybszy niż w przypadku elementów pierwszej generacji, przez co ich wpływ na środowisko jest mniejszy.
Ogniwa fotowoltaiczne CIGS (Copper Indium Gallium and Selenide)
Zgodnie z pełną angielską nazwą tych ogniw, w ich skład wchodzą cztery pierwiastki: miedź, ind, gal, selen. Na szklaną lub plastikową powierzchnię rozpyla się przygotowaną mieszaninę powyższych pierwiastków, a następnie dodaje elektrody. Jedna warstwa materiału światłoczułego ogniwa CIGS jest nawet 100 razy cieńsza od grubości klasycznych ogniw mono- i polikrystalicznych (ma grubość 1µm – jeden mikrometr, czyli jedna tysięczna milimetra). Materiał ma wysoki współczynnik absorpcji i silnie pochłania światło. W warunkach laboratoryjnych ogniwo to osiągnęło imponującą (jak na warunki dzisiejszej technologii) sprawność ponad 23%. Dzięki temu współczynnik efektywności do zużytych materiałów (i kosztów wytwórczych) jest na bardzo wysokim poziomie.
Według producentów oraz zebranych danych ogniwa CIGS, w przeciwieństwie do ogniw krzemowych, lepiej radzą sobie w rzeczywistych warunkach pracy. Dlatego właśnie ta technologia może być z powodzeniem stosowana w BIPV, czyli fotowoltaice zintegrowanej z budynkiem (Building Integrated Photovoltaics). Ponadto do niewątpliwych zalet ogniw CIGS należą:
- wysoka wydajność – absorbują nawet słabe światło,
- niski współczynnik temperaturowy – im niższy współczynnik, tym mniejszy negatywny wpływ wzrostu temperatury na ogniwo,
- stosunkowo niska wrażliwość na zacienienie.
Powyższe cechy sprawiają, że technologia CIGS z powodzeniem może zostać zaimplementowana w postaci fotowoltaicznych dachówek, czy nawet pokrycia elewacji (dla lubiących industrialny wygląd).
Niestety mniej opłacalne jest inwestowanie w ogniwa CIGS w postaci konwencjonalnych elektrowni słonecznych, takich jak stojące w wielu miejscach farmy fotowoltaiczne krzemowe. Również koszty początkowe instalacji są wyższe niż w przypadku rozwiązań z krystalicznego krzemu o tej samej mocy.
Ogniwa z tellurku kadmu (CdTe)
Jest to jedyna technologia cienkowarstwowa o niższych kosztach początkowych niż dla ogniw z krzemu krystalicznego. Nakłady poniesione na panele fotowoltaiczne mogą się zwrócić już nawet po roku od inwestycji. Kolejnym plusem ogniw z tellurku kadmu jest ich najmniejszy ślad węglowy oraz najniższe zużycie wody do produkcji spośród wszystkich ogniw pierwszej i drugiej generacji. Powszechne stosowanie tych paneli doprowadziłoby do szybszego ograniczenia emisji dwutlenku węgla.
W takim razie dlaczego ta technologia nie jest szeroko stosowana? Otóż na przeszkodzie stoi toksyczność materiałów składowych. Kadm jest groźnym dla życia metalem ciężkim. Został on umieszczony przez Międzynarodową Agencję Badań nad Rakiem w pierwszej grupie substancji rakotwórczych. Działa wysoce szkodliwie na wszystkie narządy ludzkiego ciała i znacząco przyczynia się do zapadalności na wiele chorób (w tym śmiertelnych). Ponadto kadm stanowi zagrożenie dla środowiska naturalnego, więc utylizacja paneli może doprowadzić do licznych skażeń. Jedyną alternatywą byłby recykling modułów, który na obecnym etapie technologii jest mało prawdopodobny. Dlatego opinia publiczna, liczne agencje i rządy są negatywnie nastawione do tej technologii. Do tego dochodzi również problem z pozyskaniem telluru , który przekłada się dodatkowo na koszt całego przedsięwzięcia.
Unia Europejska ma dość restrykcyjne przepisy odnośnie do kadmu, w związku z czym większość producentów cienkowarstwowych ogniw CdTe ma swoje siedziby poza Starym Kontynentem, np. w Ameryce (np. kluczowy producent firma First Solar z Arizony).
Amorficzne panele krzemowe (a-Si)
Krzem amorficzny to niekrystaliczna wersja krzemu w postaci ciała amorficznego. Ciało takie charakteryzuje się stałym stanem skupienia o wewnętrznej budowie bardziej przypominającej ciecz (bardziej niż dla ciała stałego chaotycznie ułożone cząsteczki). Krzem amorficzny oprócz wykorzystania w panelach fotowoltaicznych, znajduje zastosowanie w ekranach LCD.
Substancję fotowoltaiczną nanosi się na różnego rodzaju podłoża: szkło, plastik, metal. Ogniwo charakteryzuje się mniejszą sprawnością niż ogniwa krystaliczne (około 7%). Z tego też powodu nie spełniło pokładanych w nim nadziei na szybki podbój rynku i zastąpienie ogniw pierwszej generacji. Zwyczajnie te starsze generacyjnie rozwiązania nadal są rozwijane i zwiększają się również ich sprawności. Dlatego krzem amorficzny częściej wykorzystuje się w tranzystorach cienkowarstwowych (TFT) i wyświetlaczach ciekłokrystalicznych (LCD).
Trzecia generacja ogniw fotowoltaicznych
Znajdziemy tu różne nowatorskie technologie, będące przeważnie w fazie badań i testów laboratoryjnych. Odróżnia je od innych generacji to, że zasada ich działania nie jest oparta na złączu półprzewodnikowym p-n. Na aktualnym poziomie zaawansowania prac, część z nich ma albo dość niską sprawność, albo krótką żywotność. Jednak potencjał rozwojowy jest duży. Badacze i naukowcy zakładają, że to w tej generacji pojawi (lub pojawią) się rozwiązanie, które przebije szklany sufit sprawności ogniw, czyli limit Shockley’a-Queissera wynoszący 31%-41% dla pojedynczego pasma zabronionego (in. przerwy energetycznej).
Znajdziemy w tej grupie m.in.:
- ogniwa barwnikowe, in. ogniwo Grätzel’a lub słoneczne uczulane barwnikiem,
- ogniwa perowskitowe,
- organiczne ogniwa słoneczne,
- ogniwa z siarczanu miedziowo-cynkowego (CZTS),
- ogniwo z kropkami kwantowymi.
Przejdźmy więc do omówienia szczegółów.
Ogniwa barwnikowe
Należą do ogniw cienkowarstwowych. Zgodnie z nazwą kluczową rolę odgrywa w nich barwnik. Już w latach 60-tych XX w. zaobserwowano, że barwniki organiczne pod wpływem światła są zdolne do produkcji energii elektrycznej na elektrodach tlenkowych. Współcześnie ogniwo zbudowane jest z półprzewodnika utworzonego pomiędzy światłoczułą anodą a elektrolitem, czyli na układzie fotoelektrochemicznym.
Ogniwa barwnikowe mają szereg zalet:
- łatwość wykonania,
- struktura półprzezroczysta i półelastyczna rozszerza zakres możliwych zastosowań,
- charakteryzują się stosunkowo niskim kosztem wytworzenia.
W praktyce na przeszkodzie stanęły drogie w pozyskaniu platyna i ruten oraz płynny elektrolit, ograniczający zastosowanie w różnych warunkach pogodowych. Jeśli chodzi o sprawność, to jest ona niższa niż dla najlepszych rozwiązań cienkowarstwowych i wynosi około 15%. Nie jest to może rekordowa wartość, jednak stosunek ceny do wydajności jest na poziomie wystarczająco dobrym, żeby wprowadzić ogniwa barwnikowe do komercyjnego użytku. Problematyczna okazała się jednak niestabilność używanego nośnika i prace nad technologią zostały na pewien czas wstrzymane.
Ogniwa perowskitowe (PSC)
O perowskitach było swego czasu głośno nad Wisłą za sprawą naszej fizyczki Olgi Malinkiewicz, która opracowała tani sposób produkcji arkuszy perowskitowych. Dzięki jej odkryciu możliwe byłoby implementowanie (drukowanie) ogniw na dowolnej powierzchni. W 2021 roku Malinkiewicz stworzyła pierwszą na świecie wytwórnię ogniw perowskitowych.
Ale czym tak naprawdę charakteryzuje się ta technologia? Warstwę światłoczułą ogniwa stanowi związek o strukturze minerału, przeważnie organiczno-nieorganiczny materiał na bazie halogenku ołowiu lub cyny. Niebagatelnym plusem perowskitów jest prostota i niskie koszty produkcji.
Na przestrzeni 10 lat sprawność ogniw perowskitowych wzrosła z niecałych 4% w 2009 roku do ponad 25% w roku 2020 dla rozwiązań z jednym złączem. Dla układów dwuzłączowych sprawność przekroczyła 29%. Kiedy dodamy do tego jeszcze niskie koszty wytworzenia, dostajemy niemal idealny przepis na doskonałą technologię fotowoltaiczną. W takim razie, czemu nie jest to jeszcze rozwiązanie dominujące? Głównym winowajcą jest tutaj stabilność układu, która stanowi przedmiot naukowych badań.
Organiczne ogniwa słoneczne (OSC)
W ogniwie wykorzystano elektronikę organiczną. Z czym to jeść? Otóż elektronika ta bada przewodnictwo polimerów organicznych albo cząstek organicznych stosowanych do absorpcji światła poprzez wykorzystanie efektu fotowoltaicznego. Zalety tej technologii to:
- duża wydajność,
- niskie koszty produkcji,
- elastyczna struktura zapewniająca wiele możliwych implementacji,
- wysoki współczynnik absorpcji optycznej – mała ilość materiału pochłania dużo światła.
Z kolei wady na tle nieorganicznych ogniw to:
- niska stabilność,
- słaba wydajność,
- niska wytrzymałość.
Ogniwa z siarczanu miedziowo-cynkowego (CZTS)
Zainteresowanie tymi ogniwami pojawiło się pod koniec pierwszej dekady XXI w. Właściwości elektroniczne oraz optyczne sprawiają, że ogniwa z siarczanu miedziowo-cynkowego oraz ich podtypy są bardzo podobne do wcześniej omawianych ogniw CIGS. Dzięki temu nadają się do rozwiązań cienkowarstwowych. Jednak w przeciwieństwie do swoich generacyjnych poprzedniczek CIGS oraz CdTe nie zawierają pierwiastków toksycznych ani innych nielicznie występujących na Ziemi. Minusem jest natomiast niższa niż powyższych sprawność na poziomie 11%.
Ogniwa z kropkami kwantowymi (QDSC)
W tym przypadku materiałem fotowoltaicznym są tytułowe kropki kwantowe. Zastępują one inne materiały, takie jak krzem, selenek miedziowo-indowo-galowy (CIGS) albo tellurek kadmu (CdTe). Dzięki zmianie rozmiaru kropek możliwa jest praktycznie dowolna regulacja ich przerwy energetycznej. Wybór materiału ogniwa definiuje nam pasmo przenoszenia. Jednak w przypadku kropek kwantowych można tworzyć ogniwa wielozłączowe, w których zastosuje się kropki o różnym rozmiarze, co zdecydowanie poprawia wydajność ogniwa umożliwiając mu pracę w szerszym zakresie widma promieniowania słonecznego. Aktualnie sprawność tego typu rozwiązań wynosi ponad 18%, jednak potencjał rozwojowy jest bardzo duży.
Perspektywy rozwojowe ogniw fotowoltaicznych
Technologie fotowoltaiczne to szybko rozwijająca się dziedzina nauki. Jeszcze kilka lub kilkanaście lat temu dzisiejsze odkrycia byłyby nie do pomyślenia. Tak samo będzie w niedalekiej przyszłości. Poniższa grafika przedstawia, jak na przestrzeni lat zmieniała się sprawność poszczególnych typów ogniw fotowoltaicznych oraz jakie pojawiały się nowe rozwiązania.
Idealne ogniwo fotowoltaiczne powinno charakteryzować się wysoką sprawnością, odpornością na warunki zewnętrzne i stabilnością, niską ceną oraz minimalnym (a najlepiej zerowym) wpływem na środowisko naturalne. Już teraz jestem pod wrażeniem parametrów wielu z prezentowanych powyżej i nie tylko rozwiązań. Wierzę równocześnie w to, że dalsze badania przybliżają nas do znalezienia tego ideału.
Jestem również ciekawa Twojego zdania na ten temat. Które z prezentowanych rozwiązań zainteresowało Cię najbardziej i w którym widzisz największy potencjał? Daj znać w komentarzu.