Choć rynek cienkowarstwowych paneli fotowoltaicznych ma niesamowity potencjał, obecnie stanowi on niewielki ułamek rynku paneli słonecznych. W niedalekiej przyszłości sytuacja ta może jednak ulec zmianie, a niektórzy eksperci z branży fotowoltaicznej spodziewają się, że cienkowarstwowe panele słoneczne będą miały duży udział w rynku w niedalekiej przyszłości.
Cadmium Telluride Accelerator Consortium (CATC) to 3-letnia inicjatywa mająca na celu przyspieszenie rozwoju technologii solarnych CdTe. Jej celem jest uczynienie cienkowarstwowych ogniw fotowoltaicznych CdTe bardziej wydajnymi i ekonomicznymi oraz stworzenie nowych rynków dla cienkowarstwowych paneli słonecznych.
Czym są cienkowarstwowe panele fotowoltaiczne?
W przeciwieństwie do tradycyjnych paneli fotowoltaicznych, które są wykonane z krystalicznego krzemu, cienkowarstwowe panele fotowoltaiczne składają się z kilku warstw materiałów pochłaniających światło, takich jak amorficzny krzem, CdTe lub selenek indowo-galowy miedzi. Materiały te są osadzane na podłożu, często szklanym, metalowym lub plastikowym.
Naukowcy z MIT opracowali ultralekkie ogniwa fotowoltaiczne z tkaniny, które można łatwo nakładać na dowolną powierzchnię, co czyni je przenośnym i wszechstronnym źródłem zasilania. Te cienkie i elastyczne ogniwa fotowoltaiczne, które są cieńsze niż ludzki włos, mogą być zintegrowane z różnymi przedmiotami, takimi jak żagle, namioty, a nawet skrzydła dronów. Ogniwa fotowoltaiczne są bardzo wydajne, generując 18 razy więcej energii na kilogram w porównaniu do konwencjonalnych paneli słonecznych i są wykonane przy użyciu skalowalnych procesów drukowania.
Cienkowarstwowe moduły fotowoltaiczne mogą być lekkie, giętkie, a nawet przezroczyste, umożliwiając integrację z różnymi powierzchniami i zastosowaniami. Chociaż cienkowarstwowe panele słoneczne mają zalety w zakresie estetyki, kosztów i wszechstronności, generalnie mają niższą wydajność konwersji energii niż panele z krzemu krystalicznego, ale może się to zmienić wraz z postępem technologii cienkowarstwowych paneli słonecznych.
Z czego wykonane są cienkowarstwowe panele fotowoltaiczne?
Cienkowarstwowe panele fotowoltaiczne składają się z cienkich warstw różnych materiałów fotowoltaicznych osadzonych na podłożu, takim jak szkło, plastik lub metal. Warstwy te mają zazwyczaj grubość od kilku nanometrów do kilku mikronów, czyli są znacznie cieńsze niż płytki stosowane w tradycyjnych panelach słonecznych.
Istnieją różne rodzaje materiałów stosowanych w cienkowarstwowych panelach fotowoltaicznych, z których niektóre obejmują:
Krzem amorficzny (a-Si).
Te ogniwa fotowoltaiczne wykorzystują niekrystaliczny krzem jako materiał półprzewodnikowy. Są one elastyczne, lekkie i mogą być produkowane po niskich kosztach, ale są mniej wydajne niż inne moduły cienkowarstwowe.
Tellurek kadmu (CdTe).
Ogniwa fotowoltaiczne CdTe składają się z cienkiej warstwy półprzewodnika z tellurku kadmu. Charakteryzują się one wysokimi współczynnikami absorpcji i mogą osiągać wysokie sprawności konwersji. Ogniwa CdTe są opłacalne i zostały szeroko wdrożone w instalacjach fotowoltaicznych na skalę użytkową, ale kadm jest toksyczny, więc ma znaczenie dla środowiska.
Selenek miedziowo-indowo-galowy (CIGS).
Panele CIGS są wykonane z połączenia miedzi, indu, galu i selenu i mogą być osadzane na elastycznych podłożach. Cienkowarstwowe panele CIGS oferują takie zalety, jak wysokie współczynniki absorpcji, lepszą wydajność przy słabym oświetleniu i doskonałe współczynniki temperaturowe (dzięki czemu dobrze sprawdzają się w upalne dni). Są one jednak droższe niż inne cienkowarstwowe technologie fotowoltaiczne.
Fotowoltaika organiczna (OPV).
Te ogniwa fotowoltaiczne wykonane są z organicznych materiałów półprzewodnikowych. Ogniwa OPV są lekkie, elastyczne i mogą być wytwarzane przy użyciu tanich technik drukowania. Chociaż ogniwa te mają niższą wydajność w porównaniu z innymi technologiami cienkowarstwowymi, mają potencjał do integracji w różnych zastosowaniach ze względu na ich elastyczność, takich jak fotowoltaika zintegrowana z budynkiem.
Zalety i wady obecnych cienkowarstwowych paneli fotowoltaicznych.
Istnieje wiele różnych rodzajów cienkowarstwowych paneli fotowoltaicznych, a ich zalety i wady różnią się nieco między sobą. Poniżej przedstawiamy kilka ogólnych zalet i wad.
Zalety cienkowarstwowych paneli fotowoltaicznych w porównaniu do konwencjonalnych paneli fotowoltaicznych.
Ponieważ fotowoltaika cienkowarstwowa ma tak wiele pozytywnych cech, ma ona ogromny potencjał.
- Łatwiejszy proces produkcji cienkich warstw. Choć różni się to nieco w zależności od technologii i podłoża, cienkowarstwowe ogniwa fotowoltaiczne są zazwyczaj łatwiejsze w produkcji. W rzeczywistości zwiększenie krajowej produkcji cienkowarstwowych ogniw fotowoltaicznych mogłoby pozytywnie wpłynąć na dążenie do niezależności energetycznej.
- Niższy koszt. Cienkowarstwowe ogniwa fotowoltaiczne wymagają mniej materiału półprzewodnikowego w porównaniu do krystalicznych paneli fotowoltaicznych i są łatwiejsze w produkcji. W rezultacie mają one niższe koszty produkcji niż krystaliczne panele fotowoltaiczne.
- Większa wszechstronność. Ogniwa cienkowarstwowe mogą być produkowane na elastycznych podłożach, co pozwala na bardziej wszechstronne zastosowania. Można je zintegrować z zakrzywionymi powierzchniami, a nawet odzieżą, rozszerzając możliwości produkcji energii słonecznej.
- Zużycie zasobów. Konwencjonalne krzemowe panele fotowoltaiczne wymagają więcej zasobów niż cienkowarstwowe panele słoneczne. Panele krzemowe wymagają krzemu o wysokiej czystości, którego produkcja jest energochłonna i wymaga złożonych procesów produkcyjnych. Z kolei cienkowarstwowe panele słoneczne mogą być produkowane przy użyciu mniejszej ilości materiału, co zmniejsza zapotrzebowanie na ograniczone zasoby.
- Wydajność przy słabym oświetleniu. Cienkowarstwowe ogniwa słoneczne zazwyczaj działają lepiej w warunkach słabego oświetlenia, takich jak pochmurna pogoda lub zacienione powierzchnie. Sprawia to, że są one bardziej odpowiednie dla lokalizacji o mniej korzystnych warunkach pogodowych lub zacienionych przez drzewa i budynki.
- Lepsza wydajność w upalne dni. Panele fotowoltaiczne mają tendencję do wytwarzania mniejszej ilości energii elektrycznej, gdy temperatura wzrasta powyżej 77° F lub 25° C. Jednak cienkowarstwowe ogniwa fotowoltaiczne nie są zazwyczaj tak podatne na spadek produkcji energii w czasie upałów.
- Krótszy okres zwrotu kosztów energii. Cienkowarstwowe panele fotowoltaiczne charakteryzują się krótszym okresem zwrotu z inwestycji w porównaniu do paneli krzemowych. Czas zwrotu energii odnosi się do okresu wymaganego do wygenerowania przez panel słoneczny takiej samej ilości energii, jaka została zużyta w procesie jego produkcji.
Wady cienkowarstwowych paneli słonecznych w porównaniu do konwencjonalnych paneli fotowoltaicznych.
Chociaż cienkowarstwowa fotowoltaika ma wiele zalet, ma ona również pewne wady. Naukowcy pracują jednak nad przezwyciężeniem niektórych z tych wad, dzięki czemu innowacje mogą je złagodzić w przyszłości.
- Krótsza żywotność niż w przypadku krystalicznych paneli fotowoltaicznych. Niektóre technologie cienkowarstwowe są bardziej podatne na degradację w czasie z powodu degradacji spowodowanej światłem lub absorpcją wilgoci. Degradacja ta może obniżyć wydajność i skrócić ogólną żywotność o około 10 do 20 lat. W szczególności panele OPV mają krótszą żywotność niż panele krystaliczne i inne technologie cienkowarstwowe.
- Niższa wydajność paneli fotowoltaicznych. Obecnie cienkowarstwowe ogniwa fotowoltaiczne mają zazwyczaj niższą sprawność konwersji niż krystaliczne panele fotowoltaiczne. Oznacza to, że generują one mniej energii odnawialnej z danej powierzchni, wymagając większych instalacji do wytworzenia tej samej ilości energii słonecznej. Jest to najbardziej niekorzystne, gdy przestrzeń jest ograniczona.
Zastosowania cienkowarstwowych paneli fotowoltaicznych.
Właściwości cienkowarstwowych paneli fotowoltaicznych doskonale nadają się do szerokiego zakresu zastosowań, dlatego też technologia ta ma tak ogromny potencjał.
Fotowoltaika zintegrowana z budynkiem (BIPV).
Cienkowarstwowe panele fotowoltaiczne można płynnie zintegrować z materiałami budowlanymi, takimi jak okna, fasady, dachy, a nawet elastyczne powierzchnie, takie jak zasłony lub markizy. Taka integracja pozwala budynkom generować energię elektryczną przy jednoczesnym zachowaniu estetyki, umożliwiając szersze zastosowanie energii słonecznej w branży budowlanej.
Urządzenia przenośne i do noszenia.
Elastyczność i lekkość cienkowarstwowych ogniw fotowoltaicznych sprawia, że idealnie nadają się one do zastosowań przenośnych i noszonych na sobie. Mogą być one wbudowane w plecaki, namioty, sprzęt kempingowy, a nawet odzież w celu zapewnienia zasilania.
Transport.
Cienkowarstwowe panele fotowoltaiczne mogą być stosowane na powierzchniach pojazdów, w tym samochodów, autobusów, pociągów i rowerów. Mogą one generować energię elektryczną do zasilania systemów pokładowych, takich jak klimatyzacja, oświetlenie i rozrywka, zmniejszając zależność od źródeł energii z paliw kopalnych i zwiększając wykorzystanie czystej energii.
Elektronika użytkowa.
Ich cienka i elastyczna natura sprawia, że nadają się do integracji z urządzeniami elektroniki użytkowej, takimi jak smartfony, tablety, czytniki e-booków i smartwatche. Włączając cienkowarstwowe panele fotowoltaiczne do konstrukcji tych urządzeń elektronicznych, można wydłużyć żywotność baterii lub zapewnić dodatkową moc do ładowania, zmniejszając potrzebę korzystania z zewnętrznych źródeł zasilania.
Zastosowania w rolnictwie.
Cienkowarstwowe panele fotowoltaiczne mogą zasilać systemy nawadniania w rolnictwie, pomagając zmniejszyć zależność od zanieczyszczających paliw kopalnych. Można je również zintegrować ze szklarniami, zapewniając energię elektryczną do oświetlenia, wentylacji i innych urządzeń.
Cienkowarstwowe ogniwa fotowoltaiczne mogą stanowić rozwiązanie dla projektów agrivoltaicznych, które są obecnie ograniczone przez tradycyjne, sztywne panele fotowoltaiczne. Ze względu na trudności w pozycjonowaniu i dużą wagę sztywnych paneli słonecznych, rolnicy wdrażający rozwiązanie agrivoltaiczne mogą być zmuszeni do całkowitej rezygnacji z projektu. Cienkowarstwowa fotowoltaika może rozwiązać takie problemy, ponieważ jest lekka, elastyczna i elastyczna, a jednocześnie generuje większe oszczędności energii i wody oraz zdrowsze plony.
Wojsko i obrona.
Ponieważ cienkowarstwowe ogniwa fotowoltaiczne mogą być wykorzystywane do zasilania systemów zdalnego nadzoru, sprzętu komunikacyjnego i innych urządzeń w terenie, mają one potencjalne zastosowanie w wojsku i obronności. Ich lekka i elastyczna konstrukcja sprawia, że łatwo je wdrożyć i zintegrować z różnymi strukturami i sprzętem wojskowym.
Pomoc w przypadku katastrof w krajach rozwijających się.
Cienkowarstwowe panele fotowoltaiczne mogą odgrywać kluczową rolę w dostarczaniu energii w krajach rozwijających się o ograniczonym dostępie do niezawodnej energii elektrycznej. Mogą być wykorzystywane do tworzenia małych systemów fotowoltaicznych do elektryfikacji społeczności, oświetlenia i stacji ładowania. W sytuacjach klęsk żywiołowych cienkowarstwowe panele fotowoltaiczne mogą szybko zasilać schroniska i infrastrukturę krytyczną, gdy sieć nie działa.
Co jest lepsze, cienkowarstwowe czy monokrystaliczne panele fotowoltaiczne?
Monokrystaliczne panele fotowoltaiczne są ogólnie uważane za lepsze niż panele cienkowarstwowe ze względu na ich wyższą wydajność i bardziej kompaktową konstrukcję. Panele monokrystaliczne charakteryzują się wyższym współczynnikiem konwersji energii, dzięki czemu zajmują mniej miejsca, zwłaszcza w przypadku małych dachów. Chociaż panele cienkowarstwowe są lżejsze i mogą być elastyczne, panele monokrystaliczne oferują wyższą wydajność i są częściej stosowane w domowych i komercyjnych instalacjach fotowoltaicznych.
Czy mogę chodzić po cienkowarstwowych panelach fotowoltaicznych?
Ogólnie rzecz biorąc, chodzenie po cienkowarstwowych panelach fotowoltaicznych nie jest dobrym pomysłem, ponieważ są one zazwyczaj bardziej kruche i mniej trwałe niż tradycyjne panele z krzemu krystalicznego. Chodzenie lub obciążanie paneli cienkowarstwowych może prowadzić do ich uszkodzenia, wpływając na ich wydajność energetyczną i potencjalnie powodując problemy elektryczne. Aby zapewnić długą żywotność i wydajność cienkowarstwowych paneli fotowoltaicznych, należy bezwzględnie przestrzegać wytycznych i zaleceń producenta dotyczących obsługi i konserwacji.
Cienkowarstwowe panele fotowoltaiczne mogą zyskać udział w rynku w kolejnych dekadach.
Mimo że cienkowarstwowe panele fotowoltaiczne mają obecnie niewielki udział w rynku, prawdopodobnie wzrośnie on w przyszłości. Chociaż ma ona wiele bardzo atrakcyjnych cech, istnieją pewne wady, które, miejmy nadzieję, naukowcy będą w stanie szybko przezwyciężyć. Udoskonalenie technologii w celu zwiększenia wydajności i żywotności umożliwiłoby szerokie wykorzystanie cienkowarstwowych ogniw słonecznych w wielu zastosowaniach.