Analiza wpływu technologii fotowoltaicznej na środowisko naturalne została podzielona na cztery podrozdziały. W pierwszym opisano sam proces produkcyjny  i związane z nim zagrożenia.

W drugim przedstawiono  (na  podstawie  dostępnej  literatury)  wyniki  przeprowadzonych  do  tej  pory  analiz  cyklu  życia.  Trzeci  zawiera zestawienie emisji substancji szkodliwych powstających przy wykorzystaniu fotowoltaiki na tle innych źródeł energii elektrycznej. Czwarty podrozdział  poświęcony został możliwościom recyklingu zużytych  modułów fotowoltaicznych.

Ogniwa pierwszej generacji na bazie krzemu

Techniczny cykl życia produktu – wytwarzanie produktu oraz faza pokonsumpcyjna

Faza produkcyjna
Krzemowe  ogniwa  fotowoltaiczne  C-Si  zostały  użyte po raz pierwszy w roku 1950 i do tej pory są osią  przemysłu fotowoltaicznego. W 2010 ogniwa na bazie  krzemu  krystalicznego  stanowiły  83%  produkcji  [1].  Proces produkcyjny ogniw fotowoltaicznych na bazie  krzemu krystalicznego został przedstawiony na rys.1.   W  roku  2007  udział  krzemu  w  rynku  półprzewodników  wykorzystywanych  w  przemyśle  fotowoltaicznym wynosił 89,6% [2]. Proces produkcyjny ogniw fotowoltaicznych na bazie krzemu krystalicznego został  przedstawiony na poniższym rysunku.

  Proces  ten  zaczyna  się  od  pozyskania  surowca  podstawowego,  jakim  jest  kwarc.  Jego  wydobycie  odbywa  się  głównie  w  kopalniach  odkrywkowych,  jednakże  pozyskiwany  jest  również  z  plaż,  wydm  śródlądowych  lub  dragowany  z  dna  rzek/akwenów  wodnych.  Ekspozycja  na  ryzyko  związane  z  wydobyciem  kwarcu  może  w  szczególności  skutkować  spadkiem  jakości  gleb,  zanieczyszczeniem  wód  (np.  poprzez kwaśne wody kopalniane) oraz powietrza [4],  jak również zakłóceniem życia mieszkańców okolicznych skupisk ludzkich na skutek ekspozycji na hałas  oraz wibracje. Kolejnym etapem produkcji jest redukcja  krzemionki  w  piecu  łukowym  w  celu  uzyskania  krzemu  metalurgicznego,  który  następnie  zostanie  oczyszczony do postaci krzemu do zastosowań elektronicznych lub fotowoltaicznych. Dwie podstawowe  metody wytwarzania bloków monokrystalicznych [5]  to metoda Czochralskiego oraz topienia strefowego.  Natomiast produkcja krzemu polikrystalicznego opiera się na metodzie ukierunkowanej krystalizacji oraz  odlewania w formy [5]. Produkcja krzemu polikrystalicznego  jest  najbardziej  energochłonnym  etapem  cyklu życia modułów krzemowych, stanowi 45% całkowitego zużycia energii pierwotnej dla modułów polikrystalicznych [6]. Etap oczyszczania krzemu opiera  się  na  procesie  „Siemens”,  podczas  którego  komora  reakcyjna wypełniona jest SiHCl 3  i H 2  oraz ogrzewana  do  temperatury  1100–1200˚C,  lub  zmodyfikowanym  procesie Siemensa, w którym SiH 4  oraz H 2  ogrzewane  są do temperatury około 800˚C. Zmodyfikowany pro ces Siemensa dostarcza tych samych rezultatów, przy  jednoczesnym spadku zużycia energii [7]. (…)
Ogniwa cienkowarstwowe na bazie  telurku kadmu (CdTe)
Obecnie  rozwój  technologii  cienkowarstwowej  podąża  w  dwóch  kierunkach.   W  obu  cienka  warstwa  krzemu  osadzana  jest na względnie tanich podłożach. Proces  osadzania  odbywa  się  jednak  w  różnych  temperaturach.  Zróżnicowanie  temperatur pozwala uzyskiwać struktury wielokry-staliczne  osiągające  sprawność  16%  (przy  temperaturze  z  zakresu  900–1200˚C)  oraz  struktury amorficzne o sprawności 8% (dla  temperatur  200–600˚C)  [13].  W  celu  minimalizacji  kosztów  paneli  fotowoltaicznych  oraz podniesienia ich sprawności bada się  oraz  wdraża  do  produkcji  szereg  różnych  materiałów  półprzewodnikowych.  Najbardziej obiecującym i przyszłościowym wydaje się zastosowanie telurku kadmu. Obecnie  ogniwa na bazie telurku kadmu osiągnęły  6-procentowy udział na rynku fotowoltaiki  [1].  Na  rysunku  2  przedstawiono  schemat  procesu  produkcyjnego  ogniw  fotowoltaicznych na bazie telurku kadmu.

Fthenakis  opisał  przepływ  materiałowy kadmu oraz emisje powstające w całym  cyklu  życia  ogniw  fotowoltaicznych  [14]. Kadm jest pozyskiwany ze strumienia  odpadów w procesie wytopu cynku. Rudy  cynku  zawierające  kadm  wydobywane  są głównie w Chinach, Peru oraz Australii  [15],  a  kadm  jest  produktem  ubocznym  przetwarzania  sfalerytu  (rudy  cynku  zawierającej  różne  ilości  kadmu,  ołowiu,  indu  oraz  innych  potencjalnie  odzyskiwalnych  pierwiastków)  [16].  Cząsteczki  kadmu gromadzone są w wyniku elektrostatycznego wytrącania w stacjach filtrów  workowych oraz ze szlamu powstającego  podczas procesu oczyszczania elektrolitu  cynku [14]. W roku 2008 około 20% światowej podaży kadmu pochodziło z procesu  recyklingu baterii NiCd, jednocześnie 80%  popytu na ten pierwiastek było tworzone  przez same baterie [15]. Jednakże, biorąc  pod  uwagę  istotną  rolę,  jaką  odgrywa  cynk w gospodarce światowej oraz podaż  kadmu  wynikającą  z  recyklingu  baterii  NiCd,  przewiduje  się  tylko  krótkotrwałe  przerwy w dostawach [15]. Telur pozyskiwany jest ze szlamu powstałego podczas  procesu  rafinacji  elektrolitycznej  miedzi. (…)
Podsumowanie
Analiza  produkcji  wykazała,  że  wytwarzanie ogniw fotowoltaicznych jest procesem  złożonym,  na  potrzeby  którego  wykorzystywane  są  liczne  związki  chemiczne,  których  niekontrolowane  uwolnienie  do  środowiska  nie  pozostaje  dla  niego  obojętne.  Współcześnie  przemysł  fotowoltaiczny  boryka  się  z  dwoma  zasadniczymi  problemami.  Rozwijający  się  rynek  i  wzrastający  popyt  produktu  wymusza  na  producentach  stałe  zwiększanie  zdolności  produkcyjnych  przy jednoczesnej  redukcji  kosztów  wytwarzania.  Dynamikę  rozwoju  fotowoltaiki   w znacznej mierze potwierdza empiryczne prawo Swansona, mówiące o tym, że  każde  podwojenie  zdolności  produkcyjnych  przemysłu  solarnego  powoduje  spadek cen ogniw o średnio 20%. Wzrastająca  produktywność  przyczynia  się  do coraz większego oddziaływania procesów wytwarzania na środowisko naturalne. Niska konkurencyjność (nakłady inwestycyjne)  fotowoltaiki  w  stosunku  do  innych  źródeł  energii  stwarza  warunki,   w  których  główny  nacisk  kładziony  jest  na  obniżenie  kosztów  wytwarzania,   a  koszty  zewnętrzne  i  środowiskowe  schodzą na dalszy plan. Mimo tego przemysł fotowoltaiczny wciąż stara się utrzymać  status  źródła  energii  elektrycznej  przyjaznego  środowisku  naturalnemu,  czego potwierdzeniem są liczne analizy  cyklu życia (LCA) przeprowadzane przez  niezależne ośrodki naukowe.  Analiza  cyklu  życia  ogniw  fotowoltaicznych w części drugiej.  
Literatura:
1.  www.greentechmedia.com
2.  D. Ruoss, Market Overview of Silicon and   Non-Silicon Technologies and a Perspective of   the PV Market and Technologies Development
3.  Toward a Just and Sustainable Solar Energy Industry,  A Silicon Valley Toxics Coalition, White Paper,   January 14, 2009
4.  Environmental Impact of Soil and Sand Mining:   A Review, M. Naveen Saviour, International Journal  of Science, Environment and Technology, Vol. 1,   No 3, 2012, 125–134
5.  Aspekty ekologiczne i ekonomiczne recyklingu  krzemowych ogniw I modułów fotowoltaicznych,  E. Klugmann-Radziemska i inni, NAFTA-GAZ,  czerwiec 2010
6.  Alsema E., Wild-Scholten M., Enviroment Impact of  Crystaline Silicon Photovoltaic Module Production.  2005
7.  Aulich H. A., Schulze F., Crystaline silicon feedstock  for solar cells. 2002
8.  V. Fthenakis, „National PV Enviromental Research  Center: Summary Review of Silane Ignition Studies”  www.state.nj.us/health
9.  E. Alsema, A. Bauman, R. Hill, I.M. Patterson,   “Health, Safety and Enviromental Issues in Thin  Film Manufacturing” 1996
10.  A Checklist of Safe Practices for Storage, Distribution,  Use and Disposal of Toxic and Hazardous Gases in  Photovoltaics Cell Manufacturing. 
11.  www.epa.gov/lead
12.  E. Klugmann-Radziemska, Fotowoltaika w teorii   i praktyce. ISBN 978-83-60233-58-0
13.  Fthenakis, V.M., Kim H.C., and Alsema E., „Emissions  from Photovoltaic Life Cycles” Environmental Science  and Technology, 42, 6 (2008).
14.  www.usgs.gov
15.  Byproduct Mineral Commodities Used for the  Production of Photovoltaic Cells; www.usgs.gov
16.  Vasilis Fthenakis, “Life Cycle Impact of Cadium in  CdTe PV Production”, Renewable and Sutainable  Energy Reviews 8:303-334, 2004
17.  Fthenakis V.M., Fuhrmann M., Heiser J., Lanzirotti  A., Fitts J. and Wang W. 2005, „Emissions and  Encapsulation of Cadmium in CdTe PV Modules  During Fires,” Progress in Photovoltaics: Research  and Applications, 13 (8): 713-723.
18.  www.lfu.bayern.de/luft/doc/pvbraende.pdf
M. Krzywda, J. Jurasz
Wydział Zarządzania  Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie