Blog

Konwencjonalnie produkcja energii fotowoltaicznej koncentrowała się wokół technologii krzemu krystalicznego i technologii cienkowarstwowych (np. CdTe i CIGS). Jednak ostatnio wiele nowych technologii fotowoltaicznych jest poszukiwanych przez naukowców i przemysł w celu stworzenia lepszych opcji pod względem wydajności, recyklingu, zużycia energii i zasobów podczas produkcji czy ekotoksyczności. Przykładem takich rozwiązań mogą być ogniwa uczulane barwnikiem, nanorurki węglowe, polimery organiczne, materiały nieorganiczne oraz materiały hybrydowe (np. perowskity). Obecny poziom wydajności osiągany dla nowych technologii jest znacznie niższy niż w przypadku technologii krystalicznych i cienkowarstwowych; stąd ich obecny udział w rynku wynosi <1%.

Analiza literatury światowej, jak i krajowej, wykazuje, że znaczna część badań naukowych i prac rozwojowych ukierunkowana jest na opracowanie technologii, która pozwoli na zwiększenie sprawności krzemowych ogniw PV, przy jednoczesnym obniżeniu kosztów wytworzenia całych modułów PV.

Generacje ogniw fotowoltaicznych 

Ogniwa słoneczne dzieli się zwykle na generacje. Celem każdej generacji jest obniżenie kosztów przy jednoczesnej poprawie efektywności. Podział ten wynika z materiałów i technik stosowanych do ich produkcji. Pierwsza generacja jest oparta na płytkach półprzewodnikowych, co oznacza, że zasadnicza część technik ich wytwarzania została oparta na technologiach stosowanych do produkcji układów scalonych. W kategorii ogniw fotowoltaicznych to właśnie pierwsza generacja jest nadal najbardziej rozpowszechniona, a rynkowo produkowana przez te ogniwa energia w 2021 roku stanowiła 95% całkowitej wytworzonej energii ze słońca. Ogniwa drugiej generacji zostały opracowane z myślą o zmniejszeniu kosztów poprzedniej generacji i poprawieniu ich właściwości.

Druga generacja ogniw bazuje na technologii cienkowarstwowej, charakteryzującej się cienką warstwą absorbera o grubości rzędu kilku μm. Ceną za to był jednak spadek wydajności. Przy tak cienkim podłożu początkowo nie można było osiągnąć wydajności poprzedniej generacji. Przeciwwagą dla spadku wydajności jest możliwość wykorzystania innych technik produkcyjnych, takich jak powlekanie natryskowe cienkiego podłoża szklanego oraz innych metod próżniowych, wymagających w procesie produkcyjnym niższych temperatur. Ich elastyczność otworzyła wiele nowych możliwości zastosowań dla ogniw fotowoltaicznych, takich jak systemy fotowoltaiki zintegrowane z budynkiem czyli BIPV. Rosnące zainteresowanie systemami BIPV przyczyniło się do ogólnego rozwoju technologii ogniw fotowoltaicznych, co doprowadziło do obniżenia kosztów, tym samym zwiększając wykonalność inwestycji w tym temacie. Ponadto, w porównaniu z innymi ogniwami fotowoltaicznymi, ich krótszy czas zwrotu energii i mniejsza emisja gazów cieplarnianych czynią je rozwiązaniem przyjaznym dla środowiska. Obecnie początkowa wada sprawności już nie występuje, ponieważ osiągnięto wartości powyżej 20%, a obecny rekord wynosi 23,4%.

W ostatnich latach nastąpił szybki rozwój cienkowarstwowych ogniw słonecznych (takich jak ogniwa z tellurku kadmu (CdTe) i związków selenu z indem i galem (CIGS)) oraz nowych ogniw słonecznych (takich jak ogniwa uczulane barwnikiem (DSSC), ogniwa perowskitowe (PSC), ogniwa z kropkami kwantowymi (QDSC) itp., należących do trzeciej generacji. Trzecia generacja ogniw fotowoltaicznych powstała w oparciu o technologię cienkowarstwową, ale różniła się od poprzedniej. Bowiem nie była już zależna od standardowego złącza p-n, w tym sensie, że została zbudowana z nowych i odmiennych materiałów, takich jak związki organiczne, stąd jej nazwa. Kolejnym wielkim osiągnięciem tej generacji była możliwość dostrajania energii przerwy pasmowej za pomocą zmian składu, co jest kluczowym czynnikiem w produkcji ogniw heterozłączowych.

Najnowszym trendem w rozwoju ogniw fotowoltaicznych, są metody polegające na wytwarzaniu dodatkowych poziomów energetycznych w strukturze pasmowej półprzewodnika, np. krzemu. Najbardziej zaawansowane prace badawcze nad technologią wytwarzania i poprawą sprawności, skupiają się obecnie na ogniwach III generacji.

Ogniwa fotowoltaiczne czwartej generacji są znane również jako hybrydowe ogniwa nieorganiczne, ponieważ łączą w sobie niski koszt i elastyczność cienkich warstw polimerowych ze stabilnością nanostruktur organicznych, takich jak nanocząstki metali i tlenki metali, nanorurki węglowe, grafen i ich pochodne.

Ze względu na unikalne właściwości, takie jak wysoka ruchliwość nośników, niska rezystywność i transmitancja oraz upakowanie sieci 2D, materiały na bazie grafenu są rozważane do zastosowania w urządzeniach PV zamiast istniejących materiałów konwencjonalnych. Jednakże, aby uzyskać odpowiednią wydajność urządzenia, kluczem do jego praktycznych zastosowań jest synteza materiałów grafenowych o odpowiedniej strukturze i właściwościach.

Od początku stosowania ogniw fotowoltaicznych dominującą rolę na rynku odgrywa technologia fotowoltaiczna krystaliczna. Jednak na rynku technologicznym to udział technologii cienkowarstwowej powoli rośnie ze względu na ich liczne zalety. W 2021 roku udział krystalicznych ogniw PV w rynku wynosił około 95%, przy czym oczekuje się, że w 2030 roku spadnie do 73,3%, a następnie do 44,8% w 2050 roku.

Większość standardowych technologii generacji pierwszej i drugiej wykazuje sprawność na poziomie 20-25%, lecz niestety ich koszt w dalszym ciągu nie uległ obniżeniu. Mimo to technologie wykorzystywane przy ogniwach trzeciej i czwartej generacji są jeszcze na etapie prototypowania. Zbudowano również prototypy na skalę produkcyjną, które odniosły sukces (sprawność 10-17%). Natomiast ogniwa heterozłączowe trzeciej generacji są już dostępne na rynku i uzyskały wyjątkowe współczynniki konwersji (od 40% do ponad 50%), które stawiają tę alternatywę jako najlepszą. Biorąc pod uwagę tendencje rynkowe, polegające na coraz szerszym wykorzystaniu pośrednich poziomów energetycznych w produkcji ogniw PV, prowadzenie badań w tym kierunku jest jak najbardziej uzasadnione.

Grafen i ich pochodne stanowią obiecujący obszar badań, ponieważ znajdują się na początku wczesnego etapu prac badawczo-rozwojowych. Celem zastosowania nanostruktur węglowych jest produkcja energooszczędnych produktów, którę łączą warstwy transportowe, aktywne i elektrodowe.