Ogniwa fotowoltaiczne: ceny i technologia

Ogniwa fotowoltaiczne pierwszej generacji niemal całkowicie zdominowały rynek fotowoltaiki. Najwyższa teoretyczna sprawność konwersji dla tej technologii to 29% (Martin Green: 33%) i ogniwa krzemowe zbliżają się do niej wielkimi krokami.

Szacuje się, że wartość ta może zostać osiągnięta nawet ok. 2030 roku, głównie dzięki optymalizacji procesu metalizacji, pasywacji emitera oraz lepszej jakości wykorzystywanych w produkcji materiałów. Ale sprawność to nie jedyny czynnik determinujący koszt LCOE.  Sporego znaczenia nabiera praca nad redukcją strat na poziomie ogniwo-panel, a także wykorzystanie technologii obustronnych paneli, trackerów i systemów skupiających promieniowanie słoneczne.

Sprawność a cena

Czy technologie drugiej (ogniwa cienkowarstwowe) i trzeciej (m.in. ogniwa tandemowe) generacji mają szansę podbić rynek zdominowany od wielu lat przez ogniwa krzemowe? Według Uniwersytetu z Massachusetts (MIT) w najbliższej przyszłości na pewno nie. Dlaczego?

Niektóre technologie ogniw wprawdzie pozwalają na osiąganie bardzo wysokich sprawności przewyższające nawet maksymalną teoretyczną sprawność konwencjonalnych paneli krzemowych, jednak ich wysoka cena całkowicie blokuje wejście na rynek masowy. Są to np. ogniwa korzystające z elementów silnie skupiających promieniowanie słoneczne (jak ogniwo o sprawności 46% od Soitec/Fraunhofer) lub wykorzystujących strukturę tandemową (jak ogniwo o sprawności 38,8% od Boeing/Spectrolab).

Do tego dochodzi problem z toksycznością niektórych pierwiastków (jak kadm w ogniwach CdTe) lub wpływ aktualnej ceny rynkowej krzemu (ogniwa a-Si z uwagi na niskie zużycie krzemu są opłacalne jedynie, gdy cena krzemu jest wyższa niż 20 dol/kg). Nawet niektóre, tańsze technologie ogniw wyższej generacji, jak ogniwa organiczne, są zwyczajnie zbyt mało stabilne.

Dostępność materiałów

Obfitość powłoki ziemskiej w potrzebne do produkcji ogniw fotowoltaicznych pierwiastki chemiczne jest zróżnicowana. Istnieją badania, które wskazują na to, że globalna roczna produkcja paneli krzemowych stanie się problematyczna, gdy produkcja energii z PV będzie stanowiła 50% światowej produkcji energii. Może to nastąpić jeszcze przed 2050 rokiem.

Poza krzemem, wyzwanie może stanowić wykorzystanie srebra używanego do produkcji metalicznych kontaktów, chociaż pojawia się coraz więcej inicjatyw zastąpienia tego pierwiastka innymi, tańszymi elementami. Ograniczona jest też dostępność galu, telluru oraz selenu, potrzebnych do produkcji ogniw drugiej generacji.

Z punktu widzenia dostępności wymaganych surowców, technologie cienkowarstwowe, perowskity, CZTS oraz ogniwa z kropkami kwantowymi mogą okazać się świetnymi technologiami dla dużych farm fotowoltaicznych, nawet jeśli PV pokryje 50% globalnej produkcji energii przez 2050 rokiem.

Łączenie różnych materiałów

Po podsumowaniu wszystkich trzech generacji ogniw fotowoltaicznych w odniesieniu do rynkowej dojrzałości technologii, procesu wytwarzania ogniw, ich kosztów, sprawności oraz dostępności wymaganych do produkcji materiałów, jest wysoce prawdopodobne, że ogniwa pierwszej generacji nie zostaną tak łatwo zastąpione przez inne technologie.

Poza ciągłym podnoszeniem sprawności ogniw krzemowych poprzez poprawę jakości materiałów, przeprojektowanie konstrukcji ogniw oraz techniki pasywacji ogniwa, eksperci przewidują wiele działań w zakresie modyfikacji technologii c-Si. Nastąpi to m.in. poprzez łączenie różnych materiałów z krzemem i mariażem z technologiami trzeciej generacji.

Bardziej popularne staną się techniki takie jak umieszczanie ogniw fotowoltaicznych dalej od siebie na panelu, by zyskać odbite promieniowanie sloneczne albo stosowanie dwustronnych paneli, nowoczesnych powłok antyrefleksyjnych oraz łączenie krzemu z pierwiastkami o innych przerwach energetycznych (na wzór ogniw tandemowych).

Naturalnie, nie jest powiedziane, że w międzyczasie nie zostną odkryte wysokiej sprawności materiały, z których będzie można tworzyć tanie i stabilne ogniwa (wysoki potencjał wykazują np. perowskity czy grafen), które zrewolucjonizują świat fotowoltaiki.

źródło: Dr Joris Libal, Dr Radovan Kopecek: Limit for industrial c-Si solar cells reached in 2030: what next?