Od krzemu do perowskitów

Na białym tle na znajduje się srebrzyście połyskująca bryłka krzemu. Wyglądem i strukturą przypomina folię aluminiową. Wykorzystywana jest w procesie produkcji paneli fotowoltaicznych.

Choć panel fotowoltaiczny to wynalazek z XX wieku, samo zastosowanie energii słonecznej przez człowieka znane jest co najmniej od VII w p.n.e.

Według badań archeologicznych już 2700 lat temu człowiek potrafił używać szklanych soczewek do skupiania promieni słonecznych i rozpalania ognia. Jednak na umiejętność przetworzenia energii słonecznej w elektryczną musieliśmy poczekać aż do 1839 r. Alexandre Edmond Becquerel, wówczas zaledwie 19-latek, wynalazł urządzenie, które moglibyśmy dziś uznać za protoplastę panelu słonecznego. Wytwarzało ono jednak tak niewielkie ilości energii, że odkrycie nie upowszechniło się.

Dopiero w 1954 r. Daryl Chapin, Calvin Fuller oraz Gerald Pearson zbudowali w Bell Labs pierwsze krzemowe ogniwo fotowoltaiczne. Było ono bardzo zbliżone do obecnie produkowanych i początkowo jego możliwości wywoływały entuzjazm. Liczono, że będzie źródłem nieograniczonej jeśli chodzi o zasoby, taniej energii. Niestety, ogniwo miało początkowo wydajność jedynie 4 proc., czyli pięciokrotnie mniejszą niż obecnie produkowane moduły. Ale bardzo szybko wynalazek znalazł zastosowanie w przemyśle kosmicznym. W 1958 r. zamontowano panele w Satelicie Vanguard I. Miały one niewielką moc, ale wystarczającą, żeby zasilać instalację radiową na pokładzie statku. Także satelity Vanguard II, Explorer III oraz Sputnik-3 posiadały moduły fotowoltaiczne.

Z kolei w 1973 r. powstała pierwsza na świecie instalacja hybrydowa do zapewnienia energii budynkowi. Było to połączenie paneli fotowoltaicznych i kolektorów słonecznych. Jej pomysłodawcami byli naukowcy z University of Delaware. W latach 70. ogniwa fotowoltaiczne znalazły także szerokie zastosowanie w drobnej elektronice użytkowej, takiej jak na przykład solarne kalkulatory czy zegarki elektroniczne, które oprócz zwykłych baterii miały właśnie niewielkie ogniwa.

Z czego wykonany jest moduł fotowoltaiczny?

Panel składa się z ogniw fotowoltaicznych zbudowanych z płytki krzemowej. Z kolei ogniwo zbudowane jest z dwóch warstw: jednej ujemnie naładowanej (półprzewodnik typu n negative) i drugiej naładowanej dodatnio (półprzewodnik typu p positive).

Jak działa?

Światło słoneczne padając na ogniwo, inicjuje reakcję fizyczną. Między półprzewodnikami powstaje różnica potencjałów i zaczyna płynąć prąd stały. Ponieważ sieć energetyczna wykorzystuje prąd zmienny, musi on zostać przekonwertowany za pomocą przetwornika zwanego falownikiem.

Fotoogniwa słoneczne są produkowane z materiałów półprzewodnikowych, najczęściej z krzemu, germanu i selenu. Zwykłe ogniwo słoneczne z krystalicznego krzemu ma nominalne napięcie ok. 0,5 V i 2 W mocy. Ogniwa łączy się szeregowo i równolegle w baterie (moduły fotowoltaiczne) i wówczas osiągają odpowiednie napięcie i moc.

Firmy z branży fotowoltaiki z zaciekawieniem przyglądają się zastosowaniu nowej technologii w produkcji ogniw słonecznych opartej o perowskity. Są to związki chemiczne, cienkie jak włos, elastyczne, przezroczyste, które pozyskują energię nie tylko ze słońca, ale i ze sztucznego światła. Ich przewaga polega na tym, że można nimi pokrywać nie tylko dachy, ale elewację budynków, a nawet szklane ściany biurowców. Elastyczne ogniwa będzie można także nanosić na ubrania, samochody, laptopy. Czy to już niedaleka przyszłość?