Jeszcze kilka lat temu praktycznie wszystkie masowo produkowane ogniwa fotowoltaiczne oparte były na krzemie krystalicznym.

Dziś sytuacja na rynku energetyki słonecznej dynamicznie się zmienia, pojawiają się nowi gracze, a wraz z nimi technologie, które chętnie zastępują krzem innymi materiałami. W roku 2009 ogniwa fotowoltaiczne drugiej generacji niezawierające krystalicznego krzemu osiągnęły 18% rynku, a analizy wskazują, że udział ten może zostać podwojony w ciągu najbliższych trzech do pięciu lat.
Dlaczego producenci ogniw fotowoltaicznych rezygnują z krzemu krystalicznego?

Krzem jest bardzo popularnym pierwiastkiem na Ziemi, a produkowane z niego ogniwa są relatywnie bardzo wydajne. Niestety produkcja tanich ogniw z krzemu krystalicznego napotyka szereg problemów. Pierwszym z nich i najbardziej istotnym jest słaba absorpcja światła przez krzem, w wyniku czego ogniwa z niego produkowane muszą być relatywnie grube (obecnie ok. 0.25 mm). Drugi problem to wysokie koszty pozyskiwana bardzo czystego krzemu niezbędnego do produkcji ogniw (minimum 99.99999%). Duża energochłonność całego procesu produkcji znacząco podnosi koszty zwłaszcza w czasach rosnących cen energii. Trzeci problem to brak możliwości znaczącej poprawy sprawności, gdyż obecnie produkowane ogniwa krzemowe są już bardzo blisko sprawności teoretycznej dla tego materiału. Te trzy problemy stanowią duże wyzwanie dla producentów ogniw fotowoltaicznych. Z jednej strony rynek wymusza na nich ciągłą obniżkę cen, z drugiej zbliżają się do granic możliwości redukcji kosztów. Z tego też powodu pojawiają się coraz częściej opinie, że dalszy dynamiczny rozwój energetyki słonecznej możliwy będzie jedynie dzięki zmianie technologii i odejściu od wykorzystywania krzemu krystalicznego.

CdTe – 50 lat oczekiwania na swoją szansę

Już w latach 50. minionego wieku odkryto, że tellurek kadmu (CdTe) bardzo dobrze absorbuje światło i może być wykorzystany do produkcji ogniw fotowoltaicznych w układzie CdTe jako złącze typu  P  i CdS jako złącze typu N. Do końca lat 90., mimo wielu prób, żadnej z firm nie udało się wprowadzić tej technologii do masowej produkcji nawet pomimo dużego zaangażowania ze strony ośrodków naukowych. W roku 1992 po wielu latach badań na uniwersytecie południowej Florydy opracowano strukturę bardzo cienkiego ogniwa w układzie TCO/CdS/CdTe o sprawności 15% (obecny rekord 16.5%). Dawało to otwartą drogę do komercjalizacji nowych tanich i wydajnych ogniw fotowoltaicznych wolnych od krzemu. Niestety przejście z laboratoryjnej do masowej skali produkcji nie jest proste i w przypadku CdTe trwało prawie dekadę. Prawdziwy przełom nastąpił dopiero za sprawą amerykańskiej firmy First Solar założonej w 1999 r., której po trzech latach prac w 2002 r. udało się skomercjalizować produkcję ogniw PV opartych na tellurku kadmu. Początkowo produkcja nie była duża i do 2005 r. nie przekraczała 25 MW rocznie. Firma jednak doskonale trafiła w czasie ze swoim produktem. Początek nowego milenium przyniósł ponownie duże zainteresowanie wykorzystaniem energii ze Słońca. Uwagę inwestorów zaczęły zwracać nowe niekrzemowe technologie, które w relatywnie krótkim czasie pozwalały znacząco obniżyć koszty produkcji. Wkrótce okazało się, że Fiest Solar posiadał produkt, na który czekał masowy rynek fotowoltaiki. W ciągu 5 lat firmie udało się poprawić sprawność produkowanych modułów z niecałych 7% do nieco ponad 10% oraz ponad 40-krotnie zwiększyć moce produkcyjne. Na koniec 2009 r. firma we wszystkich swoich fabrykach osiągnęła łączną wydajność ponad 1 GW ogniw rocznie, stając się tym samym największym na świecie producentem ogniw fotowoltaicznych. Oprócz rekordu w wolumenie produkcji First Solar także jako pierwszy ogłosił przekroczenie psychologicznej bariery cenowej 1$ za 1 Wat mocy ogniwa, a krótkoterminowym celem firmy jest osiągnięcie poziomów 65–70 centów za wat do 2012 r. Olbrzymi sukces firmy First Solar to jednocześnie ogromny sukces ogniw II generacji cieńszych, tańszych i szybszych w produkcji.

wzrost produkcji ogniw fotowoltaicznych

 
CIGS – nowy silny gracz na rynku ogniw II generacji (…)

Dlaczego CdTe oraz CIGS i dlaczego teraz
Zaletą wszystkich ogniw drugiej generacji, do której także należą CdTe i CIGS, jest radykalna redukcja zużycia drogich półprzewodników, a tym samym poprawa stosunku ceny do mocy wyprodukowanego ogniwa. Standardowa płytka krzemowa, która jest bazą do produkcji ogniwa mono czy polikrystalicznego, ma grubość 200–300 mikrometrów. Stosując tellurek kadmu (CdTe) równie skutecznie można absorbować promieniowanie słoneczne za pomocą warstwy 2 mikrometrów, a w przypadku CIGS wystarcza zaledwie warstwa 1 mikrometra. Chociaż nominalnie zarówno CdTe, jak i CISG są znacznie droższe od krzemu krystalicznego, to jednak ponad 100-krotna redukcja zużycia półprzewodnika rekompensuje wyższe koszty ze znaczną nawiązką. Wiele osób może zadawać sobie pytanie, dlaczego teraz tak dynamicznie rozwija się rynek ogniw II generacji skoro technologia ta znana była dziesiątki lat temu. Odpowiedź na to pytanie jest bardzo złożona. Od początku rozwoju fotowoltaiki aż do końca lat 90. nikt realnie nie widział w Słońcu źródła energii dla mas. Ogniwa fotowoltaiczne postrzegane były wyłącznie w kontekście zastosowań specjalnych. Na tym polu drogie, wydajne i produkowane w małej skali ogniw krzemowe spisywały się dobrze. Jeszcze na początku tego milenium roczna produkcja paneli PV nie przekraczała 300 MW rocznie. Rynek był mały i przez to nieatrakcyjny dla kosztownych technologii, które stają się opłacalne, gdy jedna linia produkcyjna wytwarza setki megawatów ogniw. Dziś sytuacja jest zupełnie inna. Na koniec 2009 r. roczna produkcja ogniw fotowoltaicznych sięgała 7000 MW, a rynek z roku na rok szybko rośnie. Duża liczba odbiorców daje potencjalnym inwestorom nadzieję na zwrot poniesionych kosztów.
 
CdTe i CIGS największe zagrożenie rozwoju to brak surowców (…)
 
Bogdan Szymański
GLOBEnergia

 

Cały artykuł – GLOBEnergia 4/2010

fotowoltaikaart str 1