Typy baterii słonecznych

Ogniwa fotowoltaiczne dzielimy wg technologii w jakiej zostały wykonane.

Klasyczne ogniwa fotowoltaiczne na bazie krzemu

Mono- i polikryształ - różnice w strukturze krystalicznej ogniw fotowoltaicznych

Najbardziej popularnymi ogniwami fotowoltaicznymi są tworzone na bazie krzemu moduły monokrystaliczne lub polikrystaliczne. Mono lub polikrystaliczność mówi o tym, czy blok krzemowy, z którego wykonano ogniwo fotowoltaiczne, to pojedyncza struktura krystaliczna (w rzeczywistości jeden duży kryształ), czy też zlepek wielu kryształów w większej masie. Na oko można ocenić to patrząc na ogniwo fotowoltaiczne gdyż struktury monokrystaliczne dają równomierne lustrzane odbicie światła, zaś polikrystaliczne są lekko "łaciate". Monokryształy z racji lepszego uporządkowania sieci krystalicznej w całej objętości, pozwalają uzyskać wyraźnie lepsze wydajności, uzyski i powtarzalność parametrów, są jednak wyraźnie droższe w produkcji i tym samym w zakupie. Stąd dość często stosuje się tańsze i prostsze w uzyskaniu polikryształy zwłaszcza że w masowej produkcji uzyskiwane z nich parametry są zbliżone do tych uzyskiwanych z monokryształów z masowej produkcji.

Różnice w wyglądzie różnych ogniw fotowoltaicznychMaksymalna sprawność jaką może osiągnąć ta konstrukcja wynosi 21%. Szeroko dostępne w sprzedaży panele fotowoltaiczne zazwyczaj osiągają mniejsze sprawności - zwłaszcza jeśli liczymy sprawność w stosunku do powierzchni całej baterii słonecznej, a nie do powierzchni zajmowanej przez same ogniwa fotowoltaiczne. Jest to najstarsza technologia tworzenia ogniw fotowoltaicznych i jednocześnie najdroższa. Dzięki zwiększeniu masowej produkcji paneli słonecznych ceny tego typu baterii słonecznych systematycznie maleją, dzięki czemu ogniwa fotowoltaiczne stają się coraz bardziej dostępne dla inwestorów.

Produkowane obecnie ogniwa fotowoltaiczne zbliżają się powoli do teoretycznej granicy sprawności i dalszy rozwój energetyki słonecznej w oparciu o krzemowe ogniwa słoneczne stoi pod znakiem zapytania. Największą zaletą ogniw fotowoltaicznych klasycznych jest ich globalny charakter produkcji oraz długa żywotność, dzięki czemu, pomimo względnie przestarzałej technologii, ogniwa fotowoltaiczne wykonane na podłożach krzemowych, mogą jeszcze przez długie lata być najczęściej sprzedawanymi modułami fotowoltaicznymi.

Ogniwa fotowoltaiczne II generacji (cienkowarstwowe)

Główną wadą klasycznych krzemowych ogniw fotowoltaicznych jest konieczność stosowania grubych warstw absorbujących promieniowanie (o grubości około 200-300 mikrometrów) - co zważywszy na wymaganie by czystość krzemu użytego do ich produkcji wynosiła nie mniej niż 99.99999% (dopuszczalna tylko jedna cząsteczka pierwiastków innych niż krzem w 10 milionach cząsteczek) - znacznie podnosi koszty produkcji. Do tego proces produkcji kryształów krzemu jest bardzo energochłonny, co sprawiało, że od lat szukano bardziej ekonomicznych technologii wytwarzania ogniw fotowoltaicznych. Spośród różnych rozwiązań, nad którymi prowadzono prace, na szczególną uwagę zasługują ogniwa fotowoltaiczne wykonane z CdTe (tellurek kadmu) oraz CIGS:

  • właściwość absorpcji światła przez związek CdTe odkryto już w latach 50 minionego wieku. Jednak próby komercjalizacji produkcji ogniw PV opartych o ten związek zakończyły się sukcesem dopiero w roku 2002. W przeciwieństwie do krzemowych ogniw fotowoltaicznych, moduły CdTe mają grubość 2 mikrometrów, dzięki czemu pomimo stosowania bardzo drogiego pierwiastka telluru (Te), koszty produkcji mogą być wyraźnie niższe niż grubych ogniw fotowoltaicznych wykonanych z krzemu. Do tego obecny rekord sprawności ogniw CdTe wynosi 15,6% czyli powoli zbliża się do wyniku ogniw fotowoltaicznych wykonanych na plastrach krzemowych.
  • podobną sytuację mamy w przypadku ogniw fotowoltaicznych wykonanych z CIGS. Nazwa pochodzi od angielskich nazw pierwiastków tworzących związek: miedzi (Copper), indu (Indium), galu (Gallium) i selenu (Selenium). W tym przypadku bardzo drogim pierwiastkiem jest ind - nie dosyć, że jego występowanie w skorupie ziemskiej jest ponad 4 razy mniejsze niż telluru, to jeszcze na ind istnieje duży i stały światowy popyt, gdyż Ind jest szeroko wykorzystywany w elektronice. Wydajna absorpcja w tego typu złączu, może nastąpić już w grubości 1 mikrometra, co jest niemal dwukrotnie lepszym wynikiem w stosunku do CdTe i do 300 razy lepszym niż dla krzemowych ogniw fotowoltaicznych. Obecny rekord sprawności ogniw fotowoltaicznych CIGS wynosi 19,9% co sprawia, że materiał ten jest obecnie liderem materiałów fotowoltaicznych II generacji.

Ogniwa fotowoltaiczne II generacji mają jeszcze jedną ogromną zaletę w stosunku do klasycznych krzemowych ogniw fotowoltaicznych: czas produkcji. W przypadku CdTe i CIGS proces uzyskania gotowej baterii słonecznej jest zdecydowanie krótszy i tańszy w stosunku do klasycznych rozwiązań. Wyliczony skumulowany czas produkcji jednego panelu słonecznego CIGS wynosi zaledwie 10 sekund!

Cienkowarstwowe ogniwa fotowoltaiczne typu II znajdują coraz więcej odbiorców na całym świecie. Moduły tego typu znajdują swoje zastosowanie w instalacjach przemysłowych ze względu na niższe koszty i lepsze parametry temperaturowe pracy. Przyjmuje się, że instalacje oparte na fotowoltaicznych ogniwach cienkowarstwowych mogą być tańsze o kilkadziesiąt procent od konstrukcji opartych na krzemie. Dodatkowo, ze względu na lepsze parametry pracy ogniwa fotowoltaicznego dla tej samej mocy zainstalowanej, fotowoltaiczne ogniwa cienkowarstwowe mogą osiągnąć o kilka procent większą wydajność. Świetlaną przyszłość ogniw fotowoltaicznych II generacji mogą zniszczyć jednak drogie pierwiastki, które są podstawowym budulcem warstw półprzewodnikowych typu ogniw. Jak można się domyśleć, trwają nieustanne prace nad ogniwami II generacji zbudowanymi z tańszych i łatwiej dostępnych pierwiastków. W 2010 roku rekord sprawności w tego typu ogniwie fotowoltaicznym wynosił już 9,6%. Drugim negatywnym czynnikiem w rozwoju baterii słonecznych II generacji może wojna cenowa producentów klasycznych ogniw fotowoltaicznych. Przy obecnych niskich cenach baterii słonecznych opartych na krzemie dalszy rozwój baterii słonecznych II generacji staje powoli pod znakiem zapytania. Intensywny rozwój technologii baterii słonecznych II generacji wynikał z faktu relatywnie wysokich kosztów produkcji klasycznych krzemowych ogniw fotowoltaicznych. Zakładano że ogniwa fotowoltaiczne II generacji osiągną cenę 1$/W - przy czym klasyczne baterie słoneczne w czasach intensywnych prac nad ogniwami słonecznymi II generacji były kilkakrotnie droższe. Produkowane obecnie klasyczne baterie słoneczne już tę cenę pokonały i stąd dalszy rozwój ogniw fotowoltaicznych II generacji możliwy będzie pod warunkiem osiągnięcia wyższych sprawności niż klasyczne ogniwa fotowoltaiczne krzemowe. W obecnej chwili największe nadzieje wiąże się z ogniwami typu CIGS - czas pokaże które z rozwiązań zdominuje rynek fotowoltaiki na świecie.

Ogniwa fotowoltaiczne organiczne (elastyczne)

Ogromnym potencjałem ogniw fotowoltaicznych organicznych jest możliwość osiągania bardzo niskich cen w przypadku produkcji masowej.

Pierwsze ogniwa słoneczne organiczne powstały w roku 1958. Uzyskana początkowo sprawność wynosiła 0,01%, a po latach prac nad pojedynczą warstwą półprzewodnika organicznego udało się osiągnąć sprawność na poziomie 0,1%, co wciąż nie było sprawnością zadowalającą. W toku dalszego rozwoju skonstruowano ogniwo fotowoltaiczne organiczne o podwójnej warstwie półprzewodnika. Konstrukcja tego typu dała dziesięciokrotny wzrost uzyskiwanych mocy, jednak wciąż sprawność na poziomie 1%, nie jest wielkością akceptowalną przez rynek, a tym samym ekonomicznie uzasadnioną.

Najnowszą i dotychczas najbardziej wydajną konstrukcją, są ogniwa fotowoltaiczne o warstwie wymieszanych półprzewodników organicznych. W tym typie ogniwa fotowoltaicznego, warstwy półprzewodników o charakterze akceptorowym i donorowym, są wymieszane i tworzą polimerową mieszaninę. W zależności od składu, ilości i długości polimerów można uzyskać bardziej obiecujące sprawności ogniw: obecny rekord wydajności tego typu ogniwa wynosi 8,1% (2011 rok). Firmy pracujące nad komercjalizacją produktów, spodziewają się osiągnięcia sprawności produkcyjnej na poziomie 10%.

Głównymi zaletami tego typu ogniw słonecznych poza teoretycznie niską ceną, jest lekkość i elastyczność materiału, wysoka wydajność i prostota produkcji. Proces produkcyjny jest porównywany do produkcji gazet. Jednak ogniwa fotowoltaiczne organiczne o warstwie wymieszanych półprzewodników wciąż są w trakcie badań, a dostępne rozwiązanie - ze względu na niskoskalowy charakter produkcji - nie jest atrakcyjne cenowo.