Najstarsze i najbardziej popularne ogniwa fotowoltaiczne, czyli ogniwa I generacji zbudowane są z mono- lub polikrystalicznego krzemu i odznaczają się znaczną wydajnością, w porównaniu z innymi materiałami wykorzystywanymi do produkcji paneli. Nieustająca potrzeba zwiększenia uzysku z ogniw, a także poszukiwanie rozwiązań zwiększających obszar zastosowań fotowoltaiki sprawia, że stale opracowuje się i testuje nowe technologie, innowacyjne w stosunku do dobrze znanych ogniw I generacji.
Ogniwa fotowoltaiczne – rodzaje
Wszystkie ogniwa solarne działają wykorzystując właściwości półprzewodników, z których są zbudowane. Więcej na ten temat przeczytać można w poradniku Ogniwa fotowoltaiczne – zasada działania, w tym tekście skupimy się na innowacjach. Pierwsza generacja paneli krzemowych jest obecnie szeroko stosowana, znana i najstarsza. Po klasycznych rozwiązaniach przyszedł jednak czas na II generację dość już rozpowszechnioną, czyli panele cienkowarstwowe, bazujące nie tylko na krzemie, lecz również innych pierwiastkach. Kolejna, III generacja jest najtrudniejsza do zdefiniowania. O ile poprzedniczce przyświecała idea poszukiwań różnorodnych materiałów lepiej wykorzystujących energię słoneczną, o tyle III generacja, nie rezygnując z tego kierunku rozwija się dużo szerzej – powstają nowe technologie wytwarzania, a także zmienia się podejście do tradycyjnych sposobów wykorzystania ogniw solarnych. Priorytetem jest mała waga paneli, ich elastyczność, różnorodność zastosowań, a także ogólna dostępność i wiążące się z nią maksymalne obniżenie kosztów produkcji.
Ogniwa cienkowarstwowe
Cienkowarstwowe ogniwa fotowoltaiczne, czyli ogniwa II generacji zbudowane są z różnych materiałów, wśród których znajduje się również krzem, jednak nie jest on już pierwiastkiem dominującym. Sposób działania paneli cienkowarstwowych jest taki sam, jak w przypadku modułów tradycyjnych – do przekształcenia energii słonecznej w elektryczną wykorzystuje się tzw. efekt fotowoltaiczny. Do najlepiej poznanych paneli cienkowarstwowych należą:
- panele fotowoltaiczne CIGS – nazwa to skrót od łacińskich nazw pierwiastków, z których są zbudowane: miedzi, indu, galu i selenu. CIGS odznaczają się dość dobrą sprawnością na poziomie 14%, jednak nie są powszechne ze względu na wysoką cenę,
- panele fotowoltaiczne amorficzne – zbudowane z niewykrystalizowanego krzemu. Sprawność paneli jest dość niska (na poziomie 6 – 8 %), jednak ich olbrzymią zaletą jest możliwość wytworzenia produktów transparentnych, takich jak szyba solarna,
- ogniwa CdTe – wykorzystują tellurek kadmu. Mogą uzyskiwać 12% wydajność, jednak z uwagi na stosunkowo rzadko występujący kadm oraz konieczność wydobycia pierwiastka i proces technologiczny, te odznaczające się czerwoną barwą ogniwa nie są opłacalne w produkcji, a ich cena jest wysoka,
- moduły na bazie arsenku galu – technologia przeznaczona jest do dużych instalacji fotowoltaicznych pracujących w nietypowych warunkach. Wykorzystuje się ją w statkach i stacjach kosmicznych. Jest oczywiście bardzo droga.
Ogniwa barwnikowe
Barwnikowe ogniwa słoneczne zalicza się najczęściej do ogniw III generacji. Za wymuszenie ruchu elektronów w panelu nie jest odpowiedzialny krzem, jak w tradycyjnych panelach, lecz barwnik o odpowiednich właściwościach, który umieszcza się na tzw. szkle fotowoltaicznym. Wyglądem moduły barwnikowe przypominają kolorowe tafle szkła witrażowego, dlatego chętnie wykorzystuje się je w aranżacji wnętrz. Jeszcze jedną, ważną zaletą paneli barwnikowych jest ich cena – technologia wytworzenia jest bardzo tania, dlatego w rezultacie moduły są niedrogie. Wadą ogniw barwnikowych jest ich niska wydajność (około13 %).
Organiczne ogniwa fotowoltaiczne
Budowa ogniw I i II generacji opiera się na krzemie lub innych pierwiastkach, niestety w większości szkodliwych. W przeciwieństwie do nich, ogniwa organiczne pewnej niemieckiej marki wprowadzone na rynek w 2019 r. zbudowane są z cząsteczek bazujących na węglu. Nie jest to jedyna innowacyjność w porównaniu z tradycyjnymi panelami. Technologia wytwarzania modułów organicznych pozwala na osiągnięcie bardzo małych grubości przy jednoczesnym zachowaniu dużych powierzchni ogniw fotowoltaicznych. Wymiary paneli wynosić mogą np. 5 x 3 m przy grubości zaledwie 1 mm.
Ogniwa słoneczne tego rodzaju pozwalają na pominięcie konstrukcji wsporczych i tradycyjnych mocowań – nakleja się je bezpośrednio na elementy budynku – dachy czy fasady. Wydajność paneli nie jest imponująca w porównaniu z krzemowymi i wynosi od 8 do 13% (firma planuje zwiększyć ją do około 20% w przyszłości), jednak z uwagi na fakt, że można montować moduły do wielu powierzchni o różnych kształtach, niekiedy zastosowanie ultra cienkich modułów organicznych może być jedynym dostępnym rozwiązaniem.
Technologia PERC
Opracowana w Australii technologia PERC ang. Passivated Emitter Rear Cell Totally Diffused), co w wolnym tłumaczeniu można określić jako pasywację tylnej ścianki ogniwa z całkowitym rozproszeniem, ma w stosunku do konwencjonalnych paneli dwie zalety:
- zwiększa uzysk,
- pozwala na uzysk mimo częściowego zacienienia modułu.
Jak to się dzieje? Twórcy PERC opracowali ogniwo, które nie tylko absorbuje energię fotonów z przedniej ścianki modułu, ale również odbiera ją z tylnej ścianki (czyli tej, która w konwencjonalnych rozwiązaniach nie bierze udziału w poborze energii słonecznej). Dzięki temu wydajność paneli zwiększa się niemal o 50%. Dodatkową zaletą jest umożliwienie uzysku nawet mimo częściowego zacienienia paneli, dzięki zastosowaniu sekcji w modułach i odpowiedniemu ich elektrycznemu powiązaniu. Wydajność zwykłego, częściowo zacienionego panelu spada praktycznie do zera, natomiast moduł PERC ciągle produkuje energię, nawet w tak niekorzystnej sytuacji.
Technologia HIT
Znana od kilku lat technologia HIT (ang. Heterojunction with Intrinsic Thin Layer), łączy warstwę krzemu monokrystalicznego z warstwami krzemu amorficznemu. Taki zabieg pozwala na wyprodukowanie bardzo cienkich ogniw, o grubościach nie przekraczających 100 μm, przy jednoczesnym zachowaniu dużej sprawności, sięgającej nawet 22% (a nawet nieco większej, jak deklarują niektórzy producenci). Panele HIT pozwalają na absorbcję niskoenergetycznego światła rozproszonego, występującego w pochmurne dni, zwiększając tym samym ogólną wydajność systemu w skali roku. Niestety, moduły HIT są cały czas stosunkowo drogie (średnio o 20 – 30 % droższe niż konwencjonalne), dlatego ich popularność nie jest zbyt duża.
BIPV – fotowoltaika zintegrowana z budynkami
BIPV (ang. Building Integrated Photovoltaics) jest ideą, która łączy rolę tradycyjnych paneli słonecznych z funkcją materiałów budowlanych. Odbiorcy pozwala na obniżenie kosztów związanych z budową oraz montażem instalacji fotowoltaicznej ponoszonych odrębnie, natomiast w skali globalnej zakłada przekierowanie produkcji materiałów budowlanych oraz fotowoltaicznych na produkcję zintegrowaną, ograniczając zanieczyszczenia powodowane przez fabryki.
Najbardziej znanym i najszerzej stosowanym produktem BIPV jest obecnie dachówka solarna, która stała się w ostatnim czasie produktem tak powszechnym, że dostępnym nawet na popularnych platformach zakupowych. Mimo atrakcyjnych cen, odradzamy jednak dokonywanie na nich tego rodzaju zakupów – powody opisujemy szerzej w artykule o zakupie ogniw fotowoltaicznych na Allegro i Olx.
Oczywiście BIPV to nie tylko dachówki, ale również balustrady balkonów, fasady budynków i wspomniane wcześniej szyby solarne, idealne szczególnie do obfitujących w szkło wielkomiejskich biurowców.
