W ciągu ostatnich lat na całym świecie nastąpił wyraźny postęp w zakresie odnawialnych źródeł energii, a energia słoneczna stała się jednym z liderów rewolucji czystej energii.
Panele fotowoltaiczne, które wykorzystują energię słoneczną, są stale ulepszane. Przewiduje się, że ich wydajność będzie wzrastać z roku na rok i przewyższy zużycie gazu ziemnego do 2026 roku i węgla do 2027 roku. Obecnie wydajność paneli fotowoltaicznych wykorzystujących krzem waha się od około 15% do 20% energii słonecznej przekształcanej w moc użytkową. Czy w przyszłości technologia będzie w stanie skuteczniej przetworzyć promienie słoneczne?
W tym artykule wchodzimy w świat energii odnawialnej, w szczególności technologii paneli słonecznych, i odkrywamy ekscytujące perspektywy zwiększenia wydajności pozyskiwania energii słonecznej.
Energia słoneczna i inne odnawialne źródła energii
Najbardziej obfitym i dostępnym źródłem energii odnawialnej jest energia słoneczna. Według Międzynarodowej Agencji Energetycznej (MAE) panele fotowoltaiczne wyprodukowały blisko 1 300 TWh energii w 2022 roku, co stanowi rekordowy wzrost o 270 TWh (o 26%). W 2022 r. energia słoneczna wyprzedziła również produkcję energii wiatrowej po raz pierwszy w historii i wykazała najwyższy całkowity wzrost produkcji ze wszystkich technologii odnawialnych. Takie tempo wzrostu produkcji energii pokrywa się z przewidywaniami przyjętego na lata 2023-2030 Scenariusza Zerowych Emisji Netto do 2050 roku.
Aktualny stan wydajności paneli słonecznych
Technologia paneli słonecznych, zwanych również panelami fotowoltaicznymi (PV), odnotowała w ostatnich dziesięcioleciach znaczący postęp w zakresie wydajności. Konwencjonalne panele słoneczne na bazie krzemu osiągnęły próg komercyjnej opłacalności, a liczne instalacje pokrywają dachy i tereny na całym świecie. Wydajność tych paneli, mierzona ich skutecznością w przekształcaniu światła słonecznego w energię elektryczną, wynosi zazwyczaj od 15 do 20%.
Chociaż liczby te można uznać za imponujące, pogoń za wyższą wydajnością wciąż trwa. Naukowcy i inżynierowie nie ustają w poszukiwaniu nowatorskich metod stworzenia bardziej ekologicznych, wydajnych i przystępnych cenowo paneli fotowoltaicznych.
Nowoczesne panele fotowoltaiczne
Zastosowanie nowych rozwiązań konstrukcyjnych pozwoliło uzyskać wyższą wydajność i większy potencjał pozyskiwania energii. W przeciwieństwie do konwencjonalnych ogniw słonecznych na bazie krzemu, które przekształcają wyłącznie wąskie spektrum światła słonecznego, integracja nowoczesnych materiałów umożliwia większą absorpcję światła.
Perowskitowe ogniwa słoneczne
Perowskitowe ogniwa słoneczne to ogniwa wykorzystujące unikalne właściwości perowskitu, kryształu składającego się z tytanu i wapnia. Są to lekkie i elastyczne ogniwa, które mogą być produkowane za pomocą tanich procesów, co czyni je atrakcyjną opcją na potrzeby przyszłych projektów paneli słonecznych.
Perowskitowe ogniwa słoneczne oferują potencjalnie większą wydajność niż ogniwa krzemowe. Prowadzone badania skupiają się na udoskonalaniu formuł perowskitowych w celu zwiększenia zarówno stabilności, jak i ogólnej wydajności, co z kolei przekłada się na podniesienie poziomu wydajności ponad dotychczasowe standardy. Naukowcy ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii (EPFL) i Szwajcarskiego Centrum Elektroniki i Mikrotechnologii (CSEM) dokonali przełomowego osiągnięcia, przekraczając próg 30% wydajności dla tandemowych ogniw słonecznych perowskitowych na bazie krzemu.
Te imponujące wyniki w zakresie wysokiej wydajności będą wymagały dodatkowych badań i prac rozwojowych. Ich celem jest uzyskanie skalowalności tych wyników na większych powierzchniach, przy jednoczesnym zapewnieniu stabilności tych ogniw w utrzymywaniu stałej mocy wyjściowej na dachach i w różnych lokalizacjach przez standardowy okres eksploatacji.
– Quentin Jeangros z centrum badawczego CSEM
Aby dowiedzieć się więcej o perowskitowych ogniwach słonecznych, przeczytaj nasz artykuł o 5 najbardziej innowacyjnych technologiach solarnych.
Tandemowe ogniwa słoneczne
Obiecującym rozwiązaniem umożliwiającym zwiększenie wydajności paneli słonecznych są ogniwa tandemowe. Są to zaawansowane ogniwa wykorzystujące wiele warstw różnych materiałów półprzewodnikowych, które skutecznie wychwytują szersze spektrum światła słonecznego. Ogniwa te mogą składać się z mieszanki obecnie dostępnych ogniw słonecznych wykonanych z perowskitów, krzemu, arsenku galu, związków CIGS itp.
W Niemczech zespoły badawcze z Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) i Instytutu Badań nad Energią Słoneczną w Hamelin (ISFH) opracowały ogniwa fotowoltaiczne PERC (ang. Passivated Emitter and Rear Contact), które są uznawane za najbardziej wydajne na rynku, z maksymalną wydajnością na poziomie 23%. Niemieccy naukowcy są jednak przekonani, że nowe tandemowe ogniwa PERC/POLO mogą osiągnąć wynik rzędu 29,5%.
Z kolei naukowcy z Arabii Saudyjskiej opracowali zupełnie nowy typ ogniwa słonecznego, które pobiło rekord najwyższej wydajności, osiągając bezprecedensowy poziom 33,7%. Jest to tandemowe ogniwo słoneczne na bazie krzemu i perowskitu. Warstwa krzemowa w tej konstrukcji pochłania i przekształca głównie światło podczerwone w energię elektryczną, podczas gdy warstwa perowskitowa wychwytuje światło widzialne.
„Mamy nadzieję, że nasze nowe osiągnięcie przyczyni się do przyspieszenia transformacji w zakresie zielonej energii”.
– Erkan Aydin, naukowiec z Uniwersytetu Nauki i Technologii im. Króla Abdullaha (KAUST)
Dwupłaszczyznowe panele słoneczne
Ogniwa fotowoltaiczne pozwalające na generowanie energii elektrycznej przy napromieniowaniu obu ich powierzchni znane są jako dwupłaszczyznowe panele słoneczne. Innymi słowy, dwupłaszczyznowe panele słoneczne mają zdolność przechwytywania światła słonecznego z obu stron, wykorzystując światło słoneczne odbite od powierzchni takich jak dachy lub ziemia – działają najlepiej, gdy są zainstalowane na poziomie gruntu. Niektóre panele tego typu są w stanie wyprodukować do 30% więcej energii niż konwencjonalne panele jednopowierzchniowe. Ich wydajność zależy od warunków środowiskowych.
Ogniwa słoneczne z kropkami kwantowymi
Naukowcy badający dziedzinę nanotechnologii wykorzystują potencjał nanostruktur półprzewodnikowych, aby zrewolucjonizować pozyskiwanie energii słonecznej. Wykorzystując skomplikowane nanostruktury i kropki kwantowe, tworzą panele słoneczne o niezwykłej wydajności. Ogniwa słoneczne z kropkami kwantowymi wykorzystują kropki kwantowe do pochłaniania materiału fotowoltaicznego i przekształcania światła słonecznego w energię elektryczną.
Według amerykańskiego laboratorium National Renewable Energy Laboratory kropki kwantowe mają potencjał do znacznego zwiększenia wydajności konwersji energii słonecznej, a nawet jej podwojenia w wybranych urządzeniach. Struktury te działają w nanoskali, umożliwiając precyzyjną manipulację światłem, a tym samym zwiększając absorpcję i ogólną wydajność konwersji energii. Postęp badań w tej dziedzinie może doprowadzić do powstania paneli słonecznych wykorzystujących światło słoneczne z niespotykaną dotąd skutecznością.
Podsumowanie
Popularność energii słonecznej i paneli słonecznych będzie rosnąć wraz z pojawianiem się innowacyjnych technologii i różnorodnych konstrukcji ogniw słonecznych. Postępy w technologii paneli słonecznych oferują możliwości zwiększenia wydajności wychwytywania światła słonecznego i wprowadzenia transformacyjnych zmian w branży energetycznej. Wraz z postępującym przejściem na czyste źródła energii, ewolucja paneli słonecznych będzie częścią procesu tworzenia zrównoważonej i zasobnej w energię przyszłości.
