Fotowoltaika: Z czego są zrobione panele słoneczne?

Tempo, w jakim przybywa paneli, musi robić wrażenie. Fotowoltaika odpowiada już za 99 proc. instalowanych w naszym kraju odnawialnych źródeł energii, a z końcem czerwca łączna moc wszystkich polskich instalacji generujących elektryczność ze słońca wyniosła 5,357 megawatów. Oznacza to wzrost aż o 117 proc. w porównaniu do czerwca 2020 r. Tylko w czerwcu 2021 moc polskiej fotowoltaiki zwiększyła się o 384 MW dzięki ponad 35 tys. nowych instalacji.

Na pierwszy rzut oka panele wyglądają jak jednolita płyta, ale każdy z nich wykonany jest z całej gamy materiałów, spośród których każdy odgrywa konkretną rolę w ich funkcjonowaniu. Najważniejszym elementem każdego panelu są krystaliczne płytki krzemowe, które służą do przetwarzania fotonów w energię elektryczną. Krzem jest podstawowym materiałem składowym ponad 95 proc. dostępnych na rynku ogniw. Pozostałe 5 proc. wykorzystuje eksperymentalne, rozwijane dopiero materiały takie jak organiczne ogniwa fotowoltaiczne. W laboratoriach trwają pracę nad kolejnymi generacjami paneli opartymi o bardziej egzotyczne materiały takie jak perowskity, ale te zapewne nie trafią na rynek jeszcze przez kilka lat.

Podstawą działania paneli jest tak zwany efekt fotowoltaiczny. Wszystko zaczęło się od Edmonda Becquerela, młodego fizyka pracującego we Francji, który w 1839 roku zaobserwował, że pod wpływem światła niektóre materiały wytwarzają prąd elektryczny.

W praktyce działa to tak, że gdy promienie słoneczne uderzają w powierzchnię materiału, wybijają z niego znajdujące się w jego strukturze elektrony. Uwolnione w ten sposób elektrony zaczynają przepływać między elektrodami, tworząc różnicę potencjałów i prąd elektryczny.

Pierwsze patenty na urządzenia zasilane światłem zaczęły pojawiać się już w 1888 r. Pierwsze ogniwa były jednak bardzo trudne w produkcji i drogie. Nowojorski wynalazca Charles Fritts stworzył swoje pierwsze ogniwo słoneczne, pokrywając selen cienką warstwą złota. Jego ogniwo osiągnęło współczynnik konwersji energii od 1 do 2 procent, czyli zaledwie 1 do 2 procent energii padającej na panele było przetwarzane w elektryczność. Większość nowoczesnych ogniw słonecznych działa z wydajnością od 15 do 20 procent.

W latach pięćdziesiątych XX w. firma Bell Laboratories zdała sobie sprawę, że materiały półprzewodnikowe, takie jak krzem, są bardziej wydajne niż selen. Udało im się stworzyć ogniwo słoneczne o wydajności 6 procent. Krzem ma jedną gigantyczną zaletę: jest jednym z najpowszechniejszych pierwiastków na Ziemi. Jest dosłownie wszędzie. Dzięki temu koszt ogniw mógł drastycznie spaść.

Oczywiście sam krzem nie wystarczy. Panele fotowoltaiczne składają się także z wielu inych elementów, w tym szkła, plastiku, metalu i okablowania. Panele słoneczne są zwykle pokryte warstwą szkła i powłoką antyrefleksyjną, aby chronić wrażliwe krzemowe ogniwa słoneczne, jednocześnie przepuszczając światło. Całość wsparta jest na polimerowej ramie do montażu na dachu lub w naziemnym systemie.

Krzem ma wiele zalet jako materiał do ogniw fotowoltaicznych. Jest powszechnie dostępny ( pozyskuje się go często z pospolitych skał kwarcytowych i piasku) i tani, dzięki czemu doskonale nadaje się do masowej produkcji. Można go łatwo zoptymalizować tak, by zmaksymalizować wydajność efektu fotowoltaicznego, zwiększając efektywność ogniw. Jest też bardzo trwały, dzięki czemu zbudowane na podstawie niego urządzenia pracują długo.

Najczęstsze typy paneli słonecznych to monokrystaliczne panele słoneczne, polikrystaliczne panele słoneczne i cienkowarstwowe panele słoneczne:

Panele z krzemu monokrystalicznego są wykonane z jednego kryształu. Są najbardziej wydajne, ale są też najdroższe. Ogniwa słoneczne z polikrystalicznego krzemu są wykonane z wielu połączonych ze sobą kryształów. Nie są tak wydajne jak panele monokrystaliczne, ale są o wiele tańsze. Cienkowarstwowe ogniwa słoneczne są wykonane z amorficznego krzemu, co czyni je najbardziej elastycznymi panelami słonecznymi, ale także najmniej wydajnymi.

Żeby sprostać stale rosnącemu zapotrzebowaniu na ogniwa fotowoltaiczne, proces ich produkcji musiał zostać maksymalnie uproszczony, usprawniony i zestandaryzowany.

Pierwszym etapem jest stopienie krzemu i zmieszanie go z dodatkowymi materiałami. Następnie formuje się go w arkusze, które można ciąć i przekształcać w komórki składowe. Gotowe ogniwa są następnie zabezpieczane warstwą materiału takiego jak szkło lub plastik.

Po utworzeniu ogniw słonecznych należy je ze sobą połączyć w odpowiednim rozmiarze, kształcie i konfiguracji. W tym celu producenci przylutowują je do podstawy panelu, który jest wykonany z przewodzącego metalu. Podstawa nie tylko stanowi element mocujący dla komórek, ale także przenosi wytwarzaną przez nie energię elektryczną.

Taki moduł jest następnie łączony z zewnętrzną ramą, wykonaną zazwyczaj z polimerów, która stabilizuje i chroni cały panel, jednocześnie izolując elementy elektryczne. Całość jest pokrywana ochronną warstwą szkła. Taki gotowy panel można już zapakować i wysłać do instalatorów.

Panele fotowoltaiczne nie pojawiają się z niczego za dotknięciem czarodziejskiej różdżki, więc ich produkcja także wiąże się z efektami środowiskowymi.

Produkcja paneli wymaga często stosowania żrących środków chemicznych, takich jak wodorotlenek sodu i kwas fluorowodorowy, a proces wykorzystuje wodę i energię elektryczną, których produkcja emituje gazy cieplarniane. Proces produkcji ogniw fotowoltaicznych wymaga temperatur sięgających 2 tys. stopni, co wymaga energii. Często pochodzącej z tradycyjnych, zanieczyszczających środowisko źródeł.

Technologia produkcji paneli jest jednak stale usprawniana, a stopień, w jakim wpływa na środowisko stale spada. Co ważne, nawet biorąc pod uwagę etap produkcji, energia generowana przez fotowoltaikę wiąże się z emisjami od 3 do 25 razy mniejszymi, niż wytwarzanie tej samej ilości energii z paliw kopalnych.

Stale poprawiają się też techniki recyklingu już zużytych paneli. To jedna z głównych obaw związanych z tą technologią: Międzynarodowa Agencja Energii Odnawialnej (IRENA) w 2016 r. oszacowała, że pod koniec tego roku na świecie było około 250 000 ton metrycznych odpadów z paneli słonecznych. Do 2050 r. miało być ich już 78 mln ton.

Jest jednak bardzo prawdopodobne, że nie skończą na wysypiskach. Ten sam raport IRENA stwierdza, że "W przypadku całkowitego ponownego wprowadzenia ich z powrotem do gospodarki, wartość odzyskanego z paneli materiału może przekroczyć 15 miliardów USD do 2050 r."