W 3. dekadzie XXI wieku nie ma chyba nikogo, kto nie słyszał o panelach słonecznych, ale tylko niektórzy znają ich budowę i parametry. Z naszym poradnikiem poznasz tajniki fotowoltaiki!
Panel słoneczny, zwany również panelem fotowoltaicznym bądź solarnym, to urządzenie służące do przekształcania światła słonecznego w energię elektryczną. Ta najprostsza definicja, choć w gruncie rzeczy prawidłowa, ukrywa jednak przed nami szereg istotnych różnic konstrukcyjnych – choć zdecydowana większość komercyjnych systemów fotowoltaicznych opiera się na bardzo zbliżonej strukturze półprzewodnikowej (wykonanej z krzemu), to intensywne prace ukierunkowane na optymalizację energetyczną, a także obniżenie kosztów produkcji, instalacji i utrzymania infrastruktury solarnej, doprowadziły już do szeregu wynalazków w dziedzinie nowoczesnych paneli PV, często o zaskakujących parametrach. Panele słoneczne są szeroko stosowane w energetyce rozproszonej oraz – na większą skalę – w elektrowniach słonecznych. W naszym artykule przedstawimy zbiór ważnych informacji technicznych na temat rodzajów oraz wydajności paneli PV.
Krzemowe ogniwa słoneczne
Stosowane obecnie panele fotowoltaiczne w większości przypadków wykonane są z krzemu (Si), przy czym poszczególne modele różnią się strukturą krystaliczną materiału bazowego. Z tego też względu możemy podzielić krzemowe ogniwa słoneczne na monokrystaliczne oraz polikrystaliczne.
Te pierwsze wykorzystują jednorodną strukturę krzemową (całe podłoże stanowi pojedynczy, duży kryształ krzemu), co zapewnia bardzo wysoką wydajność i dłuższą żywotność. Ogniwa takie charakteryzują się ciemniejszym, jednolitym kolorem (czarnym lub granatowym). Polikrystaliczne panele słoneczne składają się natomiast z wielu kryształów krzemu w ramach każdego ogniwa, co sprawia, że są nieco mniej wydajne niż ogniwa monokrystaliczne, ale zazwyczaj wyraźnie tańsze, co z kolei przekłada się na obniżenie kosztów inwestycji w fotowoltaikę. Panele polikrystaliczne mają nieco jaśniejszą, niebieskawą powierzchnię.
Nowe technologie w fotowoltaice
Krzem – jako baza wszelakich elementów półprzewodnikowych – ma szereg niezwykle istotnych zalet, ale (niestety) także dość poważną wadę: proces wytwarzania czystych kryształów tego pierwiastka jest relatywnie kosztowny, co wpływa znacząco na całościowe koszty wdrożenia fotowoltaiki w zastosowaniach tak domowych (prywatnych), jak i wielkoskalowych (farmy słoneczne). Z tego też względu naukowcy na całym świecie intensywnie pracują nad nowymi metodami konwersji energii światła słonecznego na postać elektryczną. I tak, obiecującym „zamiennikiem” klasycznych ogniw krzemowych są m.in. cienkowarstwowe panele słoneczne (TFPV od ang. Thin Film Photovoltaic), które aktualnie występują w trzech głównych odmianach.
Panele na bazie telurku kadmu (CdTe) są stosunkowo tanie do wytworzenia, ale mają niższą wydajność w porównaniu z krystalicznymi panelami krzemowymi. Ogniwa wykonane z selenku miedzi, indu i galu (CIS/CIGS) mają z kolei wyższą wydajność niż inne cienkowarstwowe technologie, lecz – jak to zwykle bywa – pozostają od nich także droższe. Trzecią kategorię stanowią amorficzne panele krzemowe – najmniej wydajne spośród cienkowarstwowych paneli, ale za to niezwykle elastyczne, co pozwala na używanie ich w rozmaitych aplikacjach, np. urządzeniach przenośnych (ładowarkach solarnych).
Ciekawą grupę rozwiązań, nad którymi trwają bardzo szeroko zakrojone prace badawczo rozwojowe (z których znaczna część odbywa się – co ciekawe – w naszym kraju) stanowią panele PV na bazie perowskitu. To stosunkowo nowa technologia, która zyskuje na popularności dzięki potencjalnie niższym kosztom produkcji i wysokiej wydajności, a także znacznej elastyczności aplikacyjnej – już dziś można przeczytać liczne doniesienia prasowe m.in. o perowskitowych szybach budynków, które same będą zdolne do zasilania budynku (np. biurowca). Warto także śledzić informacje dotyczące paneli organicznych (OPV) – te, jak sama nazwa wskazuje, wykorzystują organiczne molekuły do wytwarzania prądu, co wydaje się doskonałym rozwiązaniem z uwagi na trend zrównoważonego rozwoju technologii. Niestety – współczesne panele OPV mają niższą wydajność w porównaniu z pozostałymi technologiami, które omówiliśmy do tej pory.
Trzy generacje paneli PV
Panele słoneczne można podzielić na tzw. generacje, określające niejako niejako ich pozycję na technologicznej „osi czasu”. I tak, pierwsza generacja to znane Ci już krystaliczne panele krzemowe (do tej kategorii zaliczamy zarówno wykonania monokrystaliczne, jak i polikrystaliczne). Wydajność wynosi 15-22% (w zależności od warunków badania) dla monokrystalicznych i około 15% dla ogniw polikrystalicznych. Co ważne, z uwagi na dojrzałość tej technologii, inżynierom udało się znacząco wydłużyć żywotność paneli PV pierwszej generacji – ta często osiąga wynik powyżej 25 lat (!). Jak przystało na technologicznych protoplastów, panele te są jednak stosunkowo ciężkie i wymagają więcej materiału bazowego do produkcji.
Druga generacja obejmuje cienkowarstwowe panele słoneczne – lżejsze i często bardziej elastyczne niż panele krystaliczne, choć jak na razie nieporównanie rzadziej stosowane w praktyce. Wykorzystują one mniej materiału, co potencjalnie obniża koszty produkcji, jednak z uwagi na niższą wydajność w porównaniu z panelami pierwszej generacji (zazwyczaj w zakresie od 7% do 12%), technologia ta pozostaje wciąż obiektem licznych prac rozwojowych.
I wreszcie – najnowsza, bo trzecia generacja paneli solarnych obejmuje wszystkie te rozwiązania, które potencjalnie mają „naśladować” naturalne systemy wytwarzania energii, oparte na reakcjach chemicznych. Do tej właśnie grupy zaliczamy ogniwa na bazie perowskitów, panele organiczne, oraz ogniwa oparte na tuszach nanokrystalicznych. Warto dodać, że wiele z tych technologii jest nadal w fazie badań lub (bardzo) wczesnej komercjalizacji.
