W ostatnich kilkunastu latach notuje się stały wzrost zainteresowania wytwarzaniem energii elektrycznej w ogniwach fotowoltaicznych. Niestety utrzymywanie się stosunkowo wysokich cen tych źródeł wciąż okazuje się poważną przeszkodą dla jeszcze większego wykorzystania darmowej energii słonecznej.

Oczekiwanym od dawna przełomem w rozwoju tego segmentu energetyki odnawialnej ma stać się wynalazek australijskich naukowców w zakresie konstrukcji baterii słonecznych.
W minionych 10. latach światowa produkcja baterii słonecznych zwiększyła się ok.15 razy. Za następne 10 lat obroty na rynku tych urządzeń mają osiągnąć astronomiczną wręcz wielkość 100 mld USD. Wówczas to- jak oceniają specjaliści – cena energii elektrycznej z baterii słonecznych zrówna się wreszcie z ceną energii dostarczanej przez konwencjonalne elektrownie. Oprócz ogromnych korzyści ekonomicznych i ekologicznych, szersze wdrażanie autonomicznych źródeł fotowoltaicznych przyniesie ważne efekty społeczne i cywilizacyjne dla ok.1,5 mld ludzi na całym świecie, pozbawionych wciąż dostępu do sieci elektroenergetycznych.

Przez 30 lat swego istnienia produkcja ogniw fotowoltaicznych była zdominowana przez jedną technologię, polegającą na nanoszeniu metalicznych połączeń w formie obwodów drukowanych na mono- lub polikrystalicznych płytkach krzemowych. Stopniowe ulepszenia doprowadziły do uzyskania płytek o średnicy 200 mm, jednak ceny i sprawność wytwarzanych baterii słonecznych ciągle nie spełniały oczekiwań odbiorców. Konstrukcja ogniw słonecznych o nazwie „sliver” (w jęz. ang. – wycięty pasek) obiecuje obniżenie kosztów i zużycia materiału z jednoczesnym podniesieniem sprawności.

Tradycyjne ogniwa słoneczne bazują na cienkich mono- lub polikrystalicznych płytkach czystego krzemu o średnicy 10-20cm i grubości ok. 0.25 mm. Ogniwa te łączy się elektrycznie i umieszcza poza szklaną szybą tworząc moduł baterii słonecznej. Ok. 5 proc. ogniw wytwarza się na bazie innych materiałów niż krystaliczny krzem, a mianowicie w oparciu o amorficzny krzem, telurek kadmu, dwutlenek tytanu i substancje organiczne. Wykazują one tak silne własności absorpcyjne, że dla pochłaniania promieniowania słonecznego wystarcza ich warstwa grubości kilku mikronów, co zapewnia mniejsze zużycie materiału. Jednak krzem odznacza się wieloma zaletami, takimi jak brak toksyczności, powszechna dostępność, wysokie i stabilne sprawności ogniw oraz wspólne elementy technologii wyrobu ogniw i obwodów scalonych (również opartych na krystalicznym krzemie). Poszukiwania innych sposobów wytwarzania krzemowych ogniw słonecznych zapewniających mniejsze zużycie materiału bez pogorszenia jakości i parametrów źródeł nie przyniosły dotychczas efektów.

Obecna technologia wytwarzania ogniw fotowoltaicznych napotkała na dwie bariery dalszego rozwoju: zapewnienie dostaw czystego krzemu po opłacalnej cenie i uzyskanie wysokiej sprawności źródeł przy odpowiednio niskich nakładach. Technologia ogniw słonecznych „sliver” ma wszelkie dane, aby przezwyciężyć te ograniczenia. Wynaleziony przez naukowców z Australijskiego Uniwersytetu Narodowego dr. K.Webera i prof. A. Blakersa proces budowania ogniw słonecznych „sliver” jest odmiennym sposobem tworzenia miniaturowych ogniw z krystalicznego krzemu.

Materiałem wyjściowym są standardowe płytki krzemowe o grubości 1-2 mm, w których za pomocą specjalnych technik wykonuje się szereg bardzo wąskich (w odstępach ok. 0,1 mm) żłobków. Żłobki te tworzą ciąg cienkich pasków krzemowych zwanych „sliver”. Żłobki nie sięgają brzegów płytki, dzięki czemu pozostała na obrzeżu nienaruszona część pełni funkcję mocującą dla wspomnianych pasków „sliver”. Następnie płytka zostaje poddana standardowej obróbce, która zamienia „sliver” w ogniwa słoneczne. Te zaś po wycięciu z płytki układa się na płaskim szklanym podłożu. Po wykonaniu niezbędnych połączeń elektrycznych miniaturowe ogniwa tworzą moduł baterii słonecznej. Typowe ogniwa nowego typu mierzą 10 cm długości, 1,5 mm szerokości, 0,05 mm grubości i posiadają powierzchnię 1,5 cm kw.

W porównaniu z tradycyjnym sposobem produkcji ogniw słonecznych technologia „sliver” przynosi zdecydowany wzrost powierzchni czynnej (przetwarzającej promieniowanie). Z typowej okrągłej płytki o średnicy 15 cm można wykonać aż 1000 ogniw „sliver” o łącznej powierzchni 1500 cm kw. (w dotychczasowej technologii zaledwie 140 cm kw.). Dalsze duże oszczędności materiału można osiągnąć pozostawiając odstępy między poszczególnymi ogniwami w module. Światło przechodząc przez te szczeliny ulega odbiciu od zwierciadła umieszczonego z tyłu modułu i w drodze powrotnej pada na ogniwo „sliver”. Dla przykładu moduł o powierzchni wypełnionej ogniwami jedynie w 50 proc. przepuszcza bez wykorzystania tylko 20 proc. promieniowania (moduł o wypełnieniu 100 proc. wykorzystuje całość energii promienistej).

Z tego zestawienia wynika oszczędność zużytego krzemu (lub inaczej wyższa sprawność baterii). Jak ustalili wynalazcy nowa technologia zużywa 7-10 razy mniej krzemu na wykonanie modułu o tej samej mocy (w liczbach bezwzględnych 1-2 kg krzemu/kW mocy modułu). Niższe zużycie materiału spowoduje zdecydowane obniżenie czasu zwrotu nakładów na zakup baterii. Ocenia się, że wyniesie on 1,5 roku, podczas gdy dla tradycyjnych baterii to ok. 4 lata. Kolejną zaletą jest wyższa sprawność ogniw „sliver” (potencjalnie nawet powyżej 22 proc.) dzięki wysokiej jakości stosowanych monokryształów krzemu i bardziej wyrafinowanej obróbce.

W tradycyjnych modułach fotowoltaicznych koszt płytki krzemowej sięga 50 proc. ogólnych nakładów. Nowa technologia pozwala na wielokrotne obniżenie kosztów zużywanego materiału i wykonania samych ogniw.
Wspomniana możliwość dwustronnego oświetlania ogniw „sliver” pozwala na bardziej elastyczne podejście do instalowania baterii słonecznych. Tradycyjne moduły fotowoltaiczne kieruje się na równik i ustawia pod kątem równym szerokości geograficznej miejsca zainstalowania. Tymczasem pionowy dwustronny moduł „sliver” zbierający promieniowanie od wschodu do zachodu będzie osiągał większą roczną produkcję energii od dotychczasowej konfiguracji. Jednym z oryginalnych, lecz bardzo efektywnych miejsc zabudowy nowych baterii słonecznych mają być ściany antyhałasowe wznoszone wzdłuż szos i autostrad.

Tradycyjne ogniwa słoneczne nie nadają się do wyginania z powodu swej grubości. Ogniwa „sliver” są cieńsze i elastyczne, dzięki czemu można je układać na zakrzywionym podłożu szklanym lub plastycznym. Zaleta ta otwiera przed nimi szerokie możliwości wykorzystania na elementach architektonicznych o różnym kształcie. Dodatkowo ogniwa „sliver” ułożone na płycie plastikowej można nawet zwijać dla ułatwienia transportu. Ogniwa te mogą także, w odróżnieniu od swoich poprzedników, wykazywać dowolny stopień przezroczystości. Umożliwia to ich użycie do wykonania…

Dokończenie znajdziesz w wydaniu papierowym. Zamów prenumeratę miesięcznika ENERGIA GIGAWAT w cenie 108 zł za cały rok, 54 zł - za pół roku lub 27 zł - za kwartał. Możesz skorzystać z formularza, który znajdziesz tutaj

Zamów prenumeratę