​Fotowoltaika przyszłości: Skąd weźmiemy prąd za 30 lat?

Świat błyskawicznie rozbudowuje moc odnawialnych źródeł energii. Według opublikowanego miesiąc temu raportu Międzynarodowej Agencji Energii Odnawialnej, mimo pandemii, w 2020 r. na świecie zainstalowano czyste źródła energii o łącznej mocy ponad 260 gigawatów. To o 50 proc. więcej, niż rok wcześniej. Co ważne, to ponad 80 proc. wszystkich nowo zainstalowanych na świecie źródeł prądu. Agencja nazywa to “początkiem dekady zielonej energii".

Najszybciej przybywa źródeł czerpiących energię ze słońca. Nic dziwnego. Bank Światowy szacuje, że potencjał tej technologii jest tak ogromny, że w większości krajów świata, nawet tych położonych, tak jak Polska, w strefach gdzie słońca jest mniej, przyćmiewa dzisiejsze zapotrzebowanie na prąd. W krajach położonych bardziej na południe jest po prostu ogromny. Bank Światowy szacuje, że w Etiopii wykorzystanie zaledwie 0,005 proc. powierzchni kraju wystarczyłoby do zaspokojenia wszystkich potrzeb energetycznych kraju. W Meksyku to 0,1 proc.

To jednak dopiero początek. Naukowcy i inżynierowie pracują już nad nowymi technologiami, które sprawią, że panele fotowoltaiczne będą tańsze, efektywniejsze i... niewidzialne. Prąd mogą generować nawet okna czy ściany budynków.

By w pełni wykorzystać energię docierającą do nas ze Słońca, fotowoltaika musi pokonać jeszcze kilka technologicznych progów. Większość paneli fotowoltaicznych opiera się na ogniwach wykonanych z półprzewodnikowych kryształów krzemu, które zazwyczaj przekształcają około 15-19 proc. energii światła słonecznego w energię elektryczną. Ta wydajność to wynik dziesięcioleci badań i rozwoju. Coraz trudniej o dalsze ulepszenia.

"Jeśli poważnie myślimy o wypełnieniu założeń porozumienia paryskiego i chcemy w ciągu 20 lat generować przy pomocy paneli fotowoltaicznych 30 proc. globalnej energii, musielibyśmy zacząć produkować 50-krotnie więcej krzemu" - pisze Albert Polman, lider grupy badającej materiały fotoniczne w Instytucie Badawczym AMOLF w Amsterdamie. "Może nam się to udać, równolegle powinniśmy pomyśleć o sposobach produkcji ogniw słonecznych, które wymagają mniej kapitału".

Dlatego trwają prace nad nowymi technologiami i nowymi sposobami produkcji paneli. Niektóre z nich można drukować czy wręcz malować na różnych powierzchniach. Inne mogą być praktycznie niewidoczne, zgrabnie wkomponowane w ściany lub okna.

Większość ogniw PV działa w zasadzie w ten sam sposób. Warstwa materiału półprzewodnikowego pochłania fotony światła, generując elektrony. Warstwa krzemu musi mieć grubość około 200 mikrometrów, aby zaabsorbować odpowiednią część padającego na nią światła. Ale inne materiały tworzą skuteczne warstwy zbierające światło o grubości zaledwie kilku mikrometrów. To sprawia, że ogniwa oparte na tych materiałach są potencjalnie tańsze i mniej energochłonne w produkcji.

Warstwę pochłaniającą światło mogą tworzyć na przykład cząsteczki organiczne, takie jak polimery i barwniki syntetyzowane z prostych składników. W przeciwieństwie do krzemu ogniwa organiczne są elastyczne. Dzięki temu można je łatwo rozwijać na dachach lub przyklejać do powierzchni, bez konieczności stosowania ciężkich płyt szklanych.

Innym bardzo obiecującym materiałem są tak zwane perowskity. To rodzaje kryształów opartych na przykład na tlenku wapnia czy tytanie. Osiągają już wydajność rzędu 23 proc., a praca nad nimi trwa zaledwie od około 10 lat. Są też potencjalnie tańsze w produkcji od ogniw krzemowych.

Perowskity mają też wady. Często zawierają toksyczny ołów, choć trwają prace nad zastąpieniem go na przykład cyną. Są również stosunkowo nietrwałe, szczególnie w obecności wilgoci. Szwajcarscy inżynierowie stworzyli jednak perowskitowe ogniwa, które dzięki specjalnej konstrukcji, złożonej z kilku warstw o różnych właściwościach, zapewnia im ponad 10 tys. godzin pracy bez utraty wydajności. Z kolei ogniwa złożone z warstw perowskitów i krzemu, wzajemnie uzupełniających się, w laboratoryjnych testach osiągają wydajność rzędu 43 proc., kilkakrotnie wyższą od dzisiejszych ogniw. 

Nawet najlepsze ogniwa mają jednak zasadnicze ograniczenie: bardzo rzucają się w oczy. Są miejsca, gdzie po prostu nie pasują. Inżynierowie opracowują jednak technologie, które pozwolą uczynić je niemal zupełnie niewidocznymi.

Organiczne ogniwa można zaprojektować tak, aby pochłaniały głównie światło podczerwone i pozostawały przezroczyste dla światła widzialnego, dzięki czemu można je wbudowywać w okna. Grupa Forresta zademonstrowała przypominające przyciemnione szyby organiczne ogniwa fotowoltaiczne o wydajności 7 proc., które przepuszczają 43 proc. światła widzialnego.

Przyszłością budownictwa może być beton, który sam wytwarza energię elektryczną Fotowoltaika, która przekształca światło w energię za pomocą półprzewodników, zaczyna migrować z paneli słonecznych do samych materiałów budowlanych.

Naukowcy z uniwersytetu ETH w Zurychu opracowali na przykład ultracienki, falisty materiał, w którym warstwy cewek grzewczych i ogniw słonecznych są wbudowane w warstwy betonu. Materiał może zastępować konwencjonalny beton w fasadach budynków. Poza samym wytwarzaniem energii, materiał ma właściwości termoregulacyjne, izolacyjne i wodoodporne.

To już nie eksperyment. W listopadzie 2017 r. szwajcarska firma LafargeHolcim, czyli największy na świecie producent cementu, oraz Heliatek, niemiecka firma produkująca panele słoneczne ogłosiły, że podobny fotowoltaiczny beton trafia już do produkcji. Nowy system łączy betonowe panele kanałowe LafargeHolcim z lekką i niezwykle cienką warstwą fotowoltaiczną o nazwie HeliaFilm. Inżynierowie szacują, że 10-piętrowy budynek pokryty w 60 proc. betonowymi panelami generowałby dzięki nim około 30 proc. swojego rocznego zapotrzebowania na energię.

Heliatek produkuje również pokrewny produkt o nazwie HeliaSol. To samoprzylepna folia fotowoltaiczna, którą można stosować na istniejących budynkach. Występuje w różnych kolorach, w tym w opcji przezroczystej.

Z kolei Tesla, znana głównie z produkcji samochodów elektrycznych, stworzyła całą serię fotowoltaicznych dachówek, które do złudzenia przypominają konwencjonalne. Są zbudowane z bardzo odpornych na uszkodzenia płytek z hartowanego szkła, kolorowej folii symulującej wygląd normalnej dachówki, i mikroskopijnych żaluzji przepuszczających światło do ukrytych w dachówce ogniw słonecznych. Mają być tak wytrzymałe, jak stal. Ich odporność na uszkodzenia Musk zademonstrował... zrzucając na nie arbuzy z dachu budynku Tesli.

Właściwie, dlaczego panele mają być stawiane tylko na budynkach czy na zbudowanych na ziemi farmach fotowoltaicznych? Wiele krajów, w tym Indie, Japonia, Egipt czy USA eksperymentuje z pływającymi farmami fotowoltaicznymi, pokrywającymi całe zbiorniki wodne.

Pierwsza taka pływająca farma fotowoltaiczna powstała w Kalifornii i wynikała z prostej konieczności. Tamtejsze winnice chciały przerzucić się na czystą i tanią energię słoneczną, ale ich zapotrzebowanie na prąd było tak duże, że zaspokojenie go wymagałoby wykarczowania sporej części cennych winorośli. Rozwiązaniem okazały się... stawy. Zamiast stawiać panele na bezcennej ziemi, winiarz Greg Allen z Far Niente Winery w Dolinie Napa pokrył nimi w 2008 r. powierzchnię zbiornika wodnego.

Od tego czasu podobne instalacje zaczęły pojawiać się także w innych miejscach na świecie. W samej Japonii jest ich ponad 60, a tylko jedna pływająca elektrownia słoneczna, stworzona na powierzchni jeziora powstałego na miejscu starej kopalni odkrywkowej w chińskim Huainan, produkuje dość energii do zasilenia 15 tys. domów. W raporcie Banku Światowego z 2018 r. oszacowano, że globalny potencjał pływających paneli słonecznych przekracza 400 gigawatów.

Fakt, że takie panele nie zajmują cennej ziemi to tylko jedna z zalet. Ponieważ ogniwa słoneczne stają się mniej wydajne, gdy się nagrzewają, chłodzenie przez wodę może zwiększyć ich zdolność konwersji nawet o 20 procent. Mają też pozytywny wpływ na środowisko: blokowanie przenikania światła słonecznego do wody zmniejsza jej parowanie i hamuje zakwity glonów. Właśnie hamowanie parowania wody jest zaletą, dzięki której coraz więcej krajów rozważa zastosowanie tej technologii. Indie i Egipt planują pokryć panelami sporą część kanałów rozprowadzających wodę na potrzeby rolnictwa. W ten sposób pokryłyby sporą część swojego zapotrzebowania na prąd, jednocześnie zwiększając ilość wody dostępnej dla ludzi.

Ostatnim problemem jest tempo, w jakim produkujemy panele. Musimy wyprodukować dziesiątki tysięcy kilometrów kwadratowych ogniw, ale na razie robimy to po prostu za wolno i za drogo. Tu też są pomysły na to, jak zdecydowanie zwiększyć tempo i obniżyć cenę produkcji ogniw fotowoltaicznych.

Australijscy inżynierowie z Uniwersytetu Newcastle opracowali ogniwa, które można drukować. Składają się z organicznego pochłaniacza światła, który ma formę tuszu. Można go nanosić na cienkie arkusze przy pomocy konwencjonalnych pras drukarskich. Formę tuszu ma też stosowana w tym ogniwie elektroda, oparta na srebrze. Potencjalnie technologia pozwalałaby na błyskawiczną produkcję wielkich ilości lekkich, elastycznych paneli. Co prawda ogniwa takie mają zdecydowanie niższą efektywność od konwencjonalnych - około 1 proc - ale niskie koszty ich produkcji sprawiają, że mogą być konkurencyjne w porównaniu z klasycznymi. Zwłaszcza że nie wymagają żadnej złożonej instalacji. Mają formę arkuszy, które wystarczy rozwinąć i przyczepić do danej powierzchni za pomocą rzepów.

Panele mogą być też budowane z... drewna. Naukowcy z Uniwersytetu Stanu Maryland, Uniwersytetu Stanu Nebraska i Południowochińskiego Uniwersytetu Technicznego opublikowali wyniki swoich prac nad ogniwami, w których warstwa perowskitów jest spojona z drewnianymi elementami, które dzięki chemicznemu przetworzeniu stają się w 96 proc. przezroczyste. Takie arkusze mają być efektywne, tanie i, co najważniejsze, przyjazne dla środowiska. Pokryte takim materiałem panele mają być o 10 proc. bardziej efektywne od konwencjonalnych. Co ciekawe, tworzywem można pokrywać nawet już istniejące panele, zwiększając ich wydajność dzięki specyficznym właściwościom nowego materiału.