Rodzaje ogniw PV - tradycyjne i cienkowarstwowe

Zasadniczo dominujące obecnie rozwiązania można podzielić na dwie grupy: polikrystaliczne i monokrystaliczne. Panele monokrystaliczne, które charakteryzuje barwa ciemna są bardziej wydajne, jednak droższe w porównaniu do polikrystalicznych. Zbudowane z krzemu ogniwa polikrystaliczne charakteryzuje jasnoniebieska barwa. Ich produkcja jest mniej skomplikowana, przez co tańsza w porównaniu do ogniw monokrystalicznych. Panele polikrystaliczne mają jednak niższą moc w porównaniu do monokrystalicznych. Oznacza to, że instalacja PV z zastosowaniem paneli polikrystalicznych wymaga więcej miejsca, co także wiąże się z wyższymi kosztami usługi montażu. Wydajność paneli monokrystalicznych może wynosić od 17% do 22% natomiast polikrystalicznych waha się od 14% do 16%.

Ogniwa krzemowe I generacji

Ogniwa I generacji stworzone zostały w oparciu o tradycyjne krzemowe złącze P-N o relatywnie wysokiej sprawności 17–22%, produkowane z czystego krzemu krystalicznego (99.99999%) w postaci wafli o grubości ok. 200-300 mikrometrów. Krzem wykorzystywany do produkcji tych ogniw PV jest bardzo dokładnie oczyszczany. Z tego powodu ogniwa te charakteryzują się dość wysokimi kosztami produkcji.

Na rynku dostępne są ogniwa z krystalicznego krzemu monokrystaliczne (sc-Si). Monokrystaliczny krzem wytwarza się z roztopionego krzemu polikrystalicznego metodą Czochralskiego, który opracował ją jeszcze w 1916 r. Może być także wytwarzany w procesie topienia strefowego (metoda Float-Zone).

Innym rodzajem ogniw pierwszej generacji są ogniwa multikrystaliczne (mc-Si) lub polikrystaliczne (pc-Si). Ogniwa polikrystaliczne lub multikrystaliczne charakteryzują się grubością płytek od 0,2 do 0,4 mm. Proces produkcji multikrystalicznego krzemu polega na roztopieniu i ponownym krzepnięciu krzemu w specjalnie do tego opracowanym kwarcowym tyglu.

Zdecydowanie najpopularniejsze są obecnie monokrystaliczne ogniwa krzemowe. Cechuje je wysoka sprawność, a dzięki ogromnej skali produkcji są stosunkowo tanie. Fot. Zeneris Projekty

Panele cienkowarstwowe

Do popularnych technologii wytwarzania paneli cienkowarstwowych zalicza się opartą na krzemie cienkowarstwową metodę produkcji ogniw II generacji. Ogniwa te zbudowane zostały w oparciu o złącze P-N, jednak nie z krzemu krystalicznego lecz np. z tellurku kadmu (CdTe) lub mieszaniny miedzi, indu, galu, selenu (Copper Indium Gallium Selenide - CIGS) albo krzemu amorficznego. W odróżnieniu od modułów krystalicznych krzem występuje w tym przypadku w postaci amorficznej (bezkształtnej), znanej m.in. z wyświetlaczy LCD i OLED. Dzięki małym warstwom absorbującym te panele cienkowarstwowe są cieńsze i dużo lżejsze od ich odpowiedników z pierwszej generacji. Ich cechą charakterystyczną jest bardzo mała grubość warstwy półprzewodnika absorbującej światło, która zazwyczaj waha się od 1 do 3 mikrometrów. Z uwagi na dużą redukcję zużycia półprzewodników są one znacznie tańsze w produkcji, a proces wytwarzania jest bardziej zautomatyzowany. Główną wadą ogniw II generacji jest niższa sprawność od ogniw I generacji, która w zależności od technologii waha się od 7 do 15%.

Panele tego rodzaju mogą być wytwarzane z:

• tellurku kadmu (panele CdTe) - panele CdTe to najpopularniejsza technologia, która obejmuje około 50% rynku paneli cienkowarstwowych. Tellurek kadmu zawiera znaczące ilości kadmu, który jest niestety dość toksycznym pierwiastkiem
• krzemu amorficznego (panele a-Si) - panele z krzemu amorficznego (panele a-Si) przypominają standardowe panele krzemowe, jednak są zdecydowanie mniej wydajne, dlatego używane są przy małych obciążeniach, w zastosowaniach takich jak elektronika użytkowa
• połączenia wielu pierwiastków (panele CIGS) - połączenie miedzi, indu, galu i selenu (panele CIGS) daje sprawność paneli w granicach 12–14%
• arsenku galu (ogniwa GaAs) - warto także wspomnieć o panelach, w których stosowany jest arsenek galu (ogniwa GaAs). Jest to jednak bardzo droga technologia, przeznaczona do dużych instalacji fotowoltaicznych, pracujących w nietypowych warunkach.

Do zalet tej generacji paneli należą:

• mniejszy wpływ wysokich temperatur na moc wyjściową,
• mniejsza niż w przypadku typowych paneli ilość materiałów użyta przy ich produkcji
• wydajna praca przy niewielkiej ilości światła.

Zaletami ogniw cienkowarstwowych są też materiałooszczędność i niska cena oraz niskie straty materiałowe. Stosowanie techniki cienkowarstwowej umożliwia prostą realizację stosu ogniw, czyli struktury warstwowej, połączonych szeregowo złączy P-N o różnych wartościach przerwy energetycznej. Rozwiązanie to pozwala również na wydajniejsze wykorzystanie widma słonecznego, a tym samym zwiększenie sprawność konwersji. Dodatkowo, zaciemnienie modułu wpływa na jego moc w mniejszym stopniu niż w przypadku typowych paneli.

Niestety, panele cienkowarstwowe mają również wady, do których należy w pierwszej kolejności niska sprawność. Skutkuje to tym, że muszą zajmować więcej miejsca niż typowe panele, jeśli chcemy uzyskać z nich taką samą moc, co z paneli pierwszej generacji. Do innych niedogodności należy długi czas stabilizacji wydajności, który może wynosić nawet pół roku. Bardziej uciążliwy i długotrwały jest również montaż tych paneli. Wadą może okazać się także toksyczność niektórych stosowanych w tych ogniwach materiałów.

Systemy trzeciej generacji

Do ogniw generacji III należą rozwiązania pozbawione złącza P-N, koniecznego do produkcji tradycyjnych ogniw fotowoltaicznych czyli CPV (ang. Concentrated Photovoltaics). Mówiąc o CPV należy podkreślić, że wykorzystuje ona multizłączowe ogniwa, składające się z kilku ogniw z materiałów półprzewodnikowych o różnej przerwie energetycznej. Materiały te ułożone są jedno na drugim. Działanie opiera się w tym przypadku na skupianiu promieni słonecznych na absorberze, którym jest ogniwo fotowoltaiczne. Do tej grupy należą ogniwa słoneczne Grätzela DSSC (dye-sensitized solar cells) wykorzystujące polimery oraz organiczne ogniwa fotowoltaiczne (OPV).

Ogniwa fotowoltaiczne typu DSSC czyli ogniwa fotoelektrochemiczne należą do konstrukcji o niewielkiej efektywności. Konwersja energii zachodzi w nich w sposób podobny do tego, jaki następuje w roślinach i algach. Są one stosunkowo proste do wytworzenia i mogą być eksploatowane znacznie dłużej niż tradycyjne, krzemowe ogniwa krystaliczne. Problemem jest w tym przypadku uzyskanie wyższej, stabilnej sprawności tych ogniw. W ostatnich latach dokonano postępu w konstrukcji ogniw fotowoltaicznych typu DSSC. Ogniwa te budowane są zwykle w oparciu dwie płyty ze szkła TCO (Transparent Conductive Oxide), rozmieszczone równolegle i oddalone od siebie o ok. 40 μm. Pomiędzy nimi znajdują się nanowarstwy półprzewodnika, pokrytego światłoczułym barwnikiem, a także nanowarstwa katalityczna oraz elektrolit. Tutaj także problemem jest sprawność tych ogniw. Laboratoryjna wydajność wynosi w ich przypadku ok. 12%. Osiągnięto ją dzięki zastosowaniu barwników szerokopasmowych i wydajnych elektrolitów. Sprawność uzyskana w warunkach rzeczywistych wynosi jednak zazwyczaj mniej niż 5%.

Do działania organicznych ogniw fotowoltaiczne (OPV) wykorzystuje się materiały organiczne służące do absorpcji promieniowania i transportu ładunków. Technologie ich produkcji nie muszą być skomplikowane, co pozwala uzyskać niższą cenę tych PV. Najprostsze tego rodzaju ogniwo zbudowane jest z pojedynczej warstwy półprzewodnika organicznego, znajdującego się między dwoma elektrodami. Górna elektroda wykonana jest z przeźroczystego materiału ITO (tlenek cynowo-indowy), natomiast dolna z dobrego przewodnika. Najważniejszą wadą tych ogniw jest ich niska sprawność. Pierwsze takie ogniwo zostało zbudowane już w 1958 r. i miało sprawność zaledwie 0,01%. Dużo później, bo w 2010 r. National Renewable Energy Laboratory (NREL) zaprezentował elastyczne organiczne ogniwo fotowoltaiczne wytworzone w Konarka Technologies cechujące się wydajnością 8,3%, co biorąc pod uwagę obecne sprawności innych rodzajów ogniw także nie jest wynikiem imponującym.

Ogniwa polikrystaliczne mają charakterystyczną strukturę i kolor. Ich produkcja jest nieco prostsza i tańsza niż ogniw monokrystalicznych. Fot. Depositphotos

Technologie współcześnie wchodzące na rynek i technologie przyszłości

Istotnym kamieniem milowym było wynalezienie w ostatnich latach ogniwa perowskitowego (PSC). Zawiera ono związek o strukturze perowskitu, najczęściej jest to hybrydowy organiczno-nieorganiczny materiał na bazie ołowiu lub halogenku cyny tworzący warstwę aktywną absorbującą światło słoneczne. Wydajność tych ogniw w warunkach laboratoryjnych wynosić może nawet 25,5% w przypadku architektur z jednym złączem, natomiast w przypadku ogniw tandemowych opartych na krzemie wydajność dochodzi nawet do 29,15%. Jeszcze w tym roku mają trafić na rynek pierwsze panele fotowoltaiczne, w których perowskity będą stanowić dodatkową warstwę dodaną do ogniw tradycyjnych.

Prowadzone są jednak także prace badawcze w innych kierunkach. Eksperymentalne technologie zakładają wykorzystanie m.in. kropek kwantowych (QD – ang. quantum dots). Kropki kwantowe (QD) to cząstki półprzewodnikowe o wielkości kilku nanometrów, mające właściwości optyczne i elektroniczne, które różnią się właściwościami od większych cząstek ze względu na cechy mechaniki kwantowej. W rozwiązaniu tym stosowane są nanokryształki półprzewodnika o wielkości od 1 do 20 nm. Jednym z potencjalnych zastosowań tej technologii może być użycie nanokropek jako elementów absorbujących światło w wysokowydajnych ogniwach słonecznych. Gdy kropki kwantowe są oświetlone światłem UV, elektron w kropce kwantowej może zostać wzbudzony do stanu o wyższej energii. W przypadku półprzewodnikowej kropki kwantowej proces ten odpowiada przejściu elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Wzbudzony elektron może opaść z powrotem do pasma walencyjnego, uwalniając swoją energię

Marek Rzewuski

Fot. Zeneris Projekty/Depositphotos