Udoskonalane od 50 lat krzemowe ogniwa fotowoltaiczne zbliżają się do teoretycznej granicy rozwoju. W fabryce Longi pod Szanghajem, gdzie powstają najbardziej sprawne dostępne rynkowo panele, rozmawialiśmy o granicy rozwoju technologii krzemowej, jej przyszłości, perowskitach, czy fotowoltaice wbudowanej w fasady budynków.

Praktycznie wszystkie panele fotowoltaiczne na świecie powstały… z piasku. Czysty piasek zawiera niemal wyłącznie dwutlenek krzemu (SiO2). W trakcie kilku procesów przemysłowych usuwa się z niego zanieczyszczenia i atomy tlenu. W ten sposób powstaje krzem składający się z wielu połączonych ze sobą kryształów.

Ogniwa polikrystaliczne dobiły do 20% i odeszły do lamusa

Do niedawna już z takich polikryształów krzemu powstawały ogniwa fotowoltaiczne (to te o widocznej niebieskawej mozaice). Jednak sprawność paneli słonecznych z takimi ogniwami nie przekraczała zwykle kilkunastu procent, szybciej się one degradowały i mocno nagrzewały w zacienionych obszarach. W skrajnych przypadkach mogło to nawet prowadzić do pożaru modułu.

Rekordy dla paneli z krzemem polikrystalicznym pobito już niemal dekadę temu (Trina Solar przekroczyła 20% sprawności modułu). Dziś, za grosze (5-7 ct/W) można jeszcze kupić resztki produkowanych paneli polikrystalicznych, ale i tak popyt na nie jest już niewielki.

Fotowoltaikę zdominował krzem hodowany metodą Czochralskiego

Zastąpiły je ogniwa monokrystaliczne, produkowane dzięki metodzie opisanej ponad sto lat temu przez inż. Jana Czochralskiego. Polak wymyślił sposób hodowli kryształów. Służy on dziś do produkcji kilkumetrowych monokryształów krzemu, ciętych następnie na cieniutkie płytki i układanych obok siebie jako podstawowa warstwa modułu fotowoltaicznego. Taka jednorodna płytka krzemowa jest bardziej efektywna w przechwytywaniu światła słonecznego i odporna.

Panele w technologii PERC i TOPCon u szczytu popularności

Dzięki tej metodzie narodziły się dwa najpopularniejsze obecnie typy ogniw: PERC (także schodzące już powoli ze sceny) i TOPCon (które dziś osiągają najprawdopodobniej szczyt swojej popularności i wkrótce także zaczną ustępować kolejnej generacji ogniw).

Według Daniela Moczulskiego, odpowiedzialnego za operacje Longi w Europie Środkowej, który oprowadza mnie po podszanghajskiej fabryce produkującej 20 GW paneli rocznie (a to tylko jedna z kilkunastu fabryk Longi na świecie), w najbliższych latach zobaczymy jak rynek przejmują dwie nowsze technologie: heterozłącza i back contact (oraz ich połączenie).

Dachy biurowców i hal fabryki paneli fotowoltaicznych Longi w Jiaxing także pokryte są panelami fotowltaicznymi, co ogranicza wpływ produkcji tych urządzeń na środowisko. W polskim klimacie panele PV spłacają swój „dług” w postaci emisji CO2 na etapie wytworzenia w ciągu kilkunastu miesięcy.

Ogniwa z heterozłączem (HJT), czyli krzem z krzemem

Heterozłącza (ang. HJT) to panele korzystające z najpopularniejszych płytek krzemowych, które z obu stron wspierane są przez dodatkowe cienkie warstwy amorficznego krzemu. Taki bezkształtny krzem sam w sobie ma niewielką sprawność, bo brak uporządkowanej struktury atomowej znacząco utrudnia wędrówkę elektronom, ale jego cienka warstwa nałożona na płytkę z monokryształu, umożliwia przechwytywanie większej ilości fotonów emitowanych przez Słońce, natomiast elektrony wybite z tej amorficznej struktury mają łatwą drogę do połączeń elektrycznych przez uporządkowaną warstwę krzemu krystalicznego. Razem tworzą zgrany duet.

Ogniwa PV typu back contact (HPBC). Odsłonięty krzem dał rekordowe 27,3%

Druga ze wspomnianych technologii – back contact, rozwija się równolegle, bo nie tyle dotyczy sposobu nakładania warstw, ile zatapiania w nich cieniutkich przewodów elektrycznych. − Myślę, że technologia back contact zakończy kilkudziesięcioletnią erę ogniw fotowoltaicznych opartych na samym krzemie.

To najbardziej wydajna forma modułów krzemowych, w której złącza poprowadzone są wyłącznie na tylnej stronie płytki krzemu, odsłaniając cały przód – tłumaczy mi podczas zwiedzania fabryki Daniel Moczulski. − Oznacza to większą sprawność ogniwa i jednocześnie umożliwia uzyskanie znacznie większej wydajności. Zacienienie ogniwa, np. przez komin, liście czy ptasie odchody, nie powoduje już znacznego wzrostu temperatury wokół tego obszaru wyłączonego z produkcji, z czym mamy do czynienia w klasycznej technologii PERC czy TOPCon – dodaje.

Wystawa prezentująca poszczególne warty modułu (panelu) fotowoltaicznego uwydatnia jak cieniutkie druciki przewodzące prąd elektryczny nakładane są na ogniwa krzemowe, a następnie spiekane z nimi. W ogniwach wykonanych w technologii back contact te połączenia znajdują się tylko z tyłu ogniw krzemowych.

Jak przekonuje, ogniwa w technologii back contact, są już na tyle blisko teoretycznej granicy efektywności (Hi-Mo X10 osiąga 25,4% sprawności na poziomie ogniwa, a debiutujący kilka tygodni temu moduł Hi-Mo S10, łączący technologię HJT i back contact, nawet 27,3%), że nikt już raczej nie będzie się bić o osiąganie czegoś w okolicach 29%. – To będzie już zbyt kosztowne w stosunku do efektów [teoretyczna granica wynosi 29,4% sprawności ogniwa krzemowego – red.]. Natomiast technologia back contact umożliwia nam już realizację tandemów krzemu z perowskitami i nad tym dziś w Longi pracujemy – tłumaczy.

Ogniwa najbliższej przyszłości: tandem krzem-perowskit z rekordem 34,85%

Efekty, na razie tylko laboratoryjne, są obiecujące. W kwietniu amerykański National Renewable Energy Laboratory (NREL) potwierdził, że takim ogniwem pobiło światowy rekord dla tandemu krzem-perowskit, osiągając 34,85% sprawności. Trzeba się jednak spodziewać, że pierwsze ogniwa tandemowe będą stosunkowo drogie w relacji do ogniw typu back contact.

Longi, które ustanowiło wspomniany rekord, podobnie jak kilku innych producentów skupiających się na modułach w segmencie premium, w innowacjach i osiągach swoich paneli szuka ucieczki od wyniszczającej walki chińskich producentów PV z dolnej półki, którzy coraz częściej osiągających zerowe lub wręcz ujemne marże.

Wyzwaniem, z dzisiejszej perspektywy, może być recykling takich ogniw tandemowych. Na razie perowskity zwykle buduje się na bazie ołowiu, choć trwają prace nad jego zastąpieniem. Przy czym warto tu spojrzeć za siebie. Recykling standardowych krzemowych paneli PV jeszcze 10 lat temu także wydawał się problematyczną kwestią.

Jednak wraz ze starzeniem się pierwszych dużych partii paneli, popyt na recykling zaczął rosnąć, a wraz z nim, rosnąć zaczęła także podaż takich usług. Dziś niemal cała masa panelu PV (szkło, aluminium, krzem, miedź i srebro) można już odzyskać w opłacalny sposób. Odpadem, czy raczej paliwem w procesie recyklingu, są głównie cieniutkie plastikowe folie.

Fotowoltaika w materiałach budowlanych (BIPV)

A co z fotowoltaiką wbudowaną w materiały budowlane (BIPV) – np. płyty elewacyjne? Poza tandemowymi panelami fotowoltaicznymi, wydaje się ona być drugim istotnym kierunkiem rozwoju PV. – Takie rozwiązania nigdy nie będą tak wydajne, jak panele fotowoltaiczne, więc ich nie zastąpią, ale mogą nam wspomagać niezależność energetyczną budynków – wyjaśnia, z umiarkowanym sceptycyzmem, Daniel Moczulski.

Jak dodaje, na razie jest to nisza rynkowa i taką pozostanie tak długo, jak będziemy mieć wciąż pod dostatkiem miejsca na dachach, nad parkingami, czy nad uprawami wymagającymi zacienienia. To zapewne zajmie jeszcze wiele lat.

Laboratoryjna sprawność ogniwa PV przekroczyła 47%, ale…

Nieco z boku masowego rynku ogniw fotowoltaicznych opartych na krzemie, a wkrótce także na perowskitach, znajdują się wielozłączowe ogniwa korzystające z pierwiastków z grup III i V układu okresowego (krzem należy do grupy IV). Chodzi o półprzewodniki częściej wykorzystywane w zaawansowanej elektronice, radarach, laserach czy światłowodach, niż w panelach słonecznych – głównie GaAs (arsenek galu), InP (fosforek indu), GaInP (fosforek galu i indu), InGaAs (arsenek galu i indu).

Aktualna (czerwiec 2025) grafika prezentująca rekordowo efektywne ogniwa fotowoltaiczne w zależności od zastosowanej technologii ujęte w badaniach NREL.

Nałożone na siebie warstwami mogą przechwytywać bardzo szerokie spektrum fal emitowanych przez Słońce. Ich teoretyczne sprawności, przy nałożeniu na siebie 6 różnych warstw, mogą przekroczyć 60%, a w przypadku zastosowania soczewek skupiających promienie słoneczne, nawet 70%.

W praktyce rekordy laboratoryjne, osiągnięte na kilkucentymetrowych ogniwach, już kilka lat temu przekroczyły 47%, ale od tego czasu jeszcze nie zostały pobite. Wspomniany amerykański NREL na 6-złączowym ogniwie osiągnął 47,1% przy 143-krotnej koncentracji promieni oraz 39,2% bez soczewki już w 2020 roku, a niemiecki Fraunhofer ISE pobił ten rekord dwa lata później, osiągając sprawność 47,6% na 4-złączowym ogniwie, ale przy 665-krotnej koncentracji (dalszy wzrost koncentracji promieni prowadził już do spadku sprawności tego ogniwa).

W badaniu NREL rekordowa wydajność paneli krzemowych po raz pierwszy przypadła firmie z Chin. Longi odebrało palmę pierwszeństwa amerykańskim Maxeon i SunPower, które swoje ostatnie rekordy także biły dzięki panelom w technologii back contact.

Krzem będzie królować jeszcze przez lata

Barierą dla ich masowego zastosowania są koszty surowców. Gal, Arsen i Ind występują na Ziemi tysiące razy rzadziej niż pospolity krzem, który w skorupie ziemskiej jest drugim, po tlenie, najpowszechniejszym pierwiastkiem (odpowiada za niemal 28% masy skorupy naszej planety). Arsen jest dodatkowo trujący, więc sprawiałby kłopoty przy recyklingu.

Także proces produkcji, wymagający bardzo precyzyjnego nakładania wielu warstw na siebie, sprawia, że tego typu ogniwa są i być może już zawsze pozostaną wielokrotnie droższe od tych bazujących na krzemie, perowskitach czy nawet kropce kwantowej. Jednak takie wielozłączowe ogniwa z powodzeniem wykorzystuje się już w przestrzeni kosmicznej, gdzie wydajność, a nie koszty, ma kluczowe znaczenie. Na ziemi jeszcze długo królować będzie jednak krzem, w ciągle udoskonalanej i odsłanianej formie.

Autor: Bartłomiej Derski, Wysokienapiecie.pl

Rozwój technologii fotowoltaicznych (PV) pozwala coraz efektywniej wykorzystywać energię słoneczną. Nowoczesne moduły cechują się wyższą sprawnością, dłuższą żywotnością i lepszą wydajnością także w trudniejszych warunkach pogodowych. Dzięki temu energia słoneczna staje się jeszcze tańsza i bardziej dostępna – co oznacza, że będziemy mogli ładować nasze samochody elektryczne jeszcze taniej, częściej i w większym stopniu pokrywając zapotrzebowanie z własnych, odnawialnych źródeł.

Fotowoltaika osiągnęła granicę rozwoju?

Fotowoltaika osiągnęła granicę rozwoju?