EkologiaInnowacjePanele Fotowoltaiczne

OZE otrzymuje dofinansowania i dotacje na rozwój fotowoltaiki, instalacji fotowoltaicznych czy wiatrowych. Dopłaty z Unii Europejskiej i budżetu Polski mają swoje powody — pozyskiwanie zielonej energii staje się powszechne w wielu krajach, a za parę lat ma być główną gałęzią światowej energetyki. Warto jest poznać jednak, jak w ogóle działają moduły i ogniwa PV, jakie są ich rodzaje oraz skąd biorą swoje właściwości generacji mocy

  • Panele fotowoltaiczne to zbiór modułów utworzony z szeregu ogniw PV ułożonych na folii aluminiowej
  • Przez rozwój technologii, jest kilka typów paneli fotowoltaicznych z czterech generacji, a każda wykorzystuje inne surowce lub metody wytwarzania
  • Najnowsza technologia generowania mocy z fotowoltaiki powstała dzięki właściwościom perowskitów, a została opracowana w 8 lat temu w Polsce

Zobacz też: 50 twarzy Due Diligence. Najlepszy spośród audytów nada się na każdą okazję

Działanie i budowa fotowoltaiki

Budowa fotowoltaiki na gruncie bądź dachach zapewnia gospodarstwu dofinansowania i dopłaty, ale przede wszystkim darmowe źródło energii, wspomagające stan środowiska i naszej planety. Żeby jednak wytworzyć panele fotowoltaiczne, potrzeba najpierw wysokich temperatur i określonych materiałów, które po obróbce będą w stanie generować prąd

Podstawowym elementem każdego panelu fotowoltaicznego, jest ogniwo PV. Jaki jest jego skład?

Jego podłożem jest zazwyczaj folia aluminiowa, na której umieszczone są warstwy półprzewodnika typu P i półprzewodnika typu N. Warstwa fosforu między nimi ma pełnić rolę baterii. Samo ogniwo PV pokryte jest warstwą antyodblaskową, aby jak największa część energii promieniowania słonecznego została pochłonięta i wykorzystana.

Energia fotonów wybija elektrony z powłok kryształu krzemu, na którym wcześniej się znajdowały i gromadzi je w warstwie N. Wówczas w warstwie P tworzą się maleńkie otwory o ładunku dodatnim. Tak powstaje napięcie prądu stałego.

Pojedyncze tradycyjne ogniwo PV może wytworzyć napięcie ok. 0,5 V. W celu uzyskania większego napięcia, ogniwa łączy się szeregowo w moduły, a te następnie w panele. Prąd ten inwerter przetwarza w prąd przemienny stosowany w gniazdkach domowej sieci elektrycznej.

Zobacz też: Dzierżawa ziemi pod fotowoltaikę to nic trudnego. Sprawdź, co trzeba wiedzieć, jeśli planujesz wynajem pola

Rodzaje paneli PV

Do produkcji paneli fotowoltaicznych wykorzystuje się z reguły ogniwa stworzone z krystalicznego krzemu. Najpopularniejsze są ogniwa monokrystaliczne i polikrystaliczne, rzadziej zaś powstałe z krzemu amorficznego lub innych pochodnych tego pierwiastka.

Kluczowym warunkiem, jaki muszą spełnić panele fotowoltaiczne, jest odpowiadanie surowym normom bezpieczeństwa, jakości i wytrzymałości. Testowana jest sprawność paneli w warunkach standardowych STC (Standard Test Conditions), które wbrew pozorom nie są szczególnie sprzyjające ogniwom PV. Producenci, udzielając gwarancji na produkt (na usterki i uszkodzenia mechaniczne) oraz na spadek mocy dopiero po upływie ćwierćwiecza, muszą mieć pewność, że ich wytwór będzie ponadprzeciętnie wytrzymały.

Dobrej jakości panele fotowoltaiczne powinny zachować po 25 latach wciąż ponad 80% mocy początkowej, nawet jeżeli przez ten czas były częścią farmy fotowoltaicznej, stale poddawanej najróżniejszym warunkom atmosferycznym.

Poprzez surowe wymogi, o wydajności instalacji fotowoltaicznej często znacznie bardziej decyduje prawidłowy i fachowy montaż i ich właściwe ulokowanie, a mimo to w technologii PV zrodziły się cztery generacje:

  • I Generacja — tradycyjne czarne i niebieskie ogniwa z krystalicznego krzemu

Pojedyncze kryształy krzemu są cięte na kwadratowe plasterki ze zgiętymi rogami — z nich powstają czarne ogniwa monokrystaliczne. Są one droższe od niebieskich, prostokątnych ogniw polikrystalicznych, ale ich sprawność jest bardzo wysoka, bo wynosi od 16% do nawet 22%.

Te drugie — niebieskie — są tańsze i wciąż bardzo często wykorzystywane w fotowoltaice. Sprawdzają się też do generowania energii ze światła rozproszonego. Niestety, są za to mniej wydajne (ich sprawność to zaledwie 14-16%) przez co, instalacje fotowoltaiczne z nich wykonane muszą mieć większą powierzchnię, aby otrzymać dzięki nim taką samą ilość prądu, co z ich czarnych odpowiedników.

  • II Generacja — panele z krzemu amorficznego i panele cienkowarstwowe

Ten rodzaj ogniw jest spotykany znacznie rzadziej. Panele cienkowarstwowe powstają z półprzewodników np. stopu miedzi, indu, galu, CdTe lub GaAs.

Cechują się elastycznością i lepszym wyglądem od swoich starszych odpowiedników z I generacji, przez co są od nich znacznie droższe, jednocześnie ich sprawność jest znacznie niższa i nie dochodzi nawet do poziomu 10%. Z tego też powodu są one sporadycznie wykorzystywane — zwyczajnie się nie opłacają.

Porównanie ogniw wykonanych z różnych materiałów
Źródło: Elektromasters
  • III Generacja — cienkowarstwowe panele polimerowe i panele DSSC

O ile cienkowarstwowe panele polimerowe nie różnią się jakoś szczególnie od tych z II generacji, to technologia ogniw DSSC, to już coś zupełnie nowego.

Ogniwa DSSC, czyli ogniwa słoneczne uczulane barwnikiem, są półelastyczne i półprzejrzyste. Ich działanie przypomina, odbywający się w komórkach roślinnych, proces fotosyntezy. Sprawnością dorównują one innym ogniwom cienkowarstwowym, więc nie są niestety szczególnie wydajne.

Są też delikatniejsze i podatniejsze na wpływ środowiska zewnętrznego oraz pogody.

  • IV Generacja — ogniwa wytwarzane metodą IBC, HJT i TOPcon

Warto zwrócić uwagę na to, że nie wszystkie panele z poszczególnych generacji są wytwarzane tą samą metodą, mimo wykorzystania takich samych materiałów. Generacja IV jest przykładem na to, że odkrycie właściwej metody produkcji jest niekiedy istotniejsze od wynalezienia nowego materiału.

W artykule Firmy tworzące najlepsze panele fotowoltaiczne w 2022. Nowa technologia produkcji modułów PV podnosi ich wydajność — poruszyliśmy już temat tradycyjnych paneli fotowoltaicznych, wytwarzanych nowymi technikami niż tylko PERC (generacja I), co znacznie podnosi ich wyniki w testach. Chodzi o panele wykonywane metodą interdigitated back contact (IBC), heterojunction (HJT) oraz TOPcon.

Tworzenie paneli IBC jest bardzo drogie, bo wymaga wielu etapów, za to ich wydajność jest naprawdę wysoka. Korzystanie z metody HJT jest tańsze dla producentów, chociaż — jak to często bywa — i mniej sprawne.

Najbardziej imponująca jest metoda TOPcon opracowana przez Chińczyków. W zeszłym roku (2021) zaprezentowano ogniwa J-TOPcon 2.0, będące zarówno tańsze w produkcji, jak i mające rekordową moc w porównaniu z całą konkurencją.

W porównaniu z ogniwem PERC ogniwo TOPCon ma większy potencjał w zakresie wydajności i stabilności”. LID i LeTID to zawsze duży problem ogniw PERC. Jednak ogniwo TOPCon nie ma ryzyka pojawienia się LID i LeTID ze względu na cechy c-Si typu N. Ponadto granica wydajności ogniw TOPCon wynosi około 28,7%, czyli znacznie więcej niż 25% PERC i 27,5% HJT. Jest bardzo blisko idealnej granicy sprawności c-Si, wynoszącej 29,43%. Zatem ogniwo TOPCon ma większy potencjał do rozwoju

mówił Dr Liu na konferencji poświęconej nowemu gatunkowi ogniwa PV

Jest to kolejnym dowodem na to, że fotowoltaika na świecie wciąż jest prężnie rozwijana i nie tylko Unia Europejska działa czynnie w sprawie ograniczania emisji CO2. Ile zajmie wdrożenie tych rozwiązań, żeby ostatecznie położyć kres wykorzystywaniu węgla w energetyce?

Zobacz też: W Chinach powstanie największa elektrownia słoneczna na świecie. OZE zastąpi węgiel i paliwa kopalne

Perowskity przyszłością fotowoltaiki

Ogniwa fotowoltaiczne z perowskitów, wynalezione dzięki Polce, Oldze Malinkiewicz w 2014 r., chociaż wciąż jeszcze raczkują, dzięki swojej zdecydowanie najtańszej metodzie produkcji — drukowaniu ich na folii przy pomocy drukarki 3D w przyszłości mogą być absolutnym przełomem w OZE!

Perowskity to minerały, posiadające krystaliczną strukturę, bardzo dobrze absorbują one promienie słoneczne, a także sztuczne światło i do tego przewodzą prąd. Są 10-krotnie skuteczniejsze w dostarczaniu mocy z fotonów od tradycyjnych ogniw (tych np. z kalkulatorów). Ich sprawność jeszcze dwa lata temu osiągała nawet 30%!

Proces wytwarzania paneli krzemowych jest wysoce energochłonny, bo wymaga stopienia krzemu w temperaturze 1000 stopni C. Jeśli myślimy o skali liczonej w terawatach, to jest to już znaczący ślad węglowy krzemowych ogniw fotowoltaicznych. Z kolei technologia ogniw perowskitowych Saule Technologies nie wymaga wykorzystywania wysokich temperatur, co powoduje, że ślad węglowy na etapie ich wytwarzania jest dziesięciokrotnie mniejszy niż w przypadku tradycyjnej technologii krzemowej

mówiła dla serwisu Teraz Środowisko, Olga Malinkiewicz

Dzięki temu, że można je osadzić na folii PET, nie dość, że są elastyczne, bardzo cienkie i leciutkie, to jeszcze mogą występować w innych kolorach, niż tylko czarnym bądź niebieskim, a nawet być całkiem przezroczyste. Saule Technologies — firma Olgi — ma zamiar wykorzystać je w najróżniejszych sferach życia codziennego. W tym momencie np. produkowane w fabryce we Wrocławiu są cenówki na e-papierze z panelami perowskitowymi i są udostępnione stacjom Orlen.

Cenówki z perowskitów
Źródło: Teraz Środowisko

Z kolei pierwsze większe pilotażowe projekty Saule Technologies można już znaleźć na fasadach budynków w Warszawie oraz Lublinie, dzięki współpracy marki z deweloperem Skanska.

Saule Technologies może dostarczyć folie, które oprócz tej cechy, będą posiadały dodatkową funkcję generowania energii. W sposób istotny zmniejszy to emisje GHG, bo budynek będzie zasilany energią odnawialną. A wydajność jest naprawdę imponująca. Fasada budynku o pow. 100 mkw. pokryta naszymi ogniwami jest w stanie zasilić energią elektryczną 2-3 domki jednorodzinne przez cały rok

opowiada w wywiadzie założycielka Saule Technologies

Energia elektryczna może być generowana z perowskitów umiejscowionych praktycznie wszędzie — na żaglach, roletach, ścianach, namiotach, plandekach TIRów, dronach, wiatach, przystankach, nieregularnych dachach albo zwyczajnych szybach. W przyszłości być może nawet na naszych ubraniach?

Zobacz też: