Fotowoltaika od badań RnD do wdrożenia na rynek przeszła bardzo długi proces zmian technologicznych. Panele PV, w znanej wszystkim formie, istnieją na rynku od 20 lat. W tym czasie dokonały się liczne zmiany oraz ewolucja tej technologii. Fotowoltaika zrewolucjonizowała system pozyskiwania energii słonecznej na użytek właścicieli domów prywatnych oraz przedsiębiorstw.
Fotowoltaika – początki badań sięgają XIX wieku
Historia fotowoltaiki sięga XIX wieku. W 1876 roku William Grylls Adams i jego uczeń Richard Evans Day dokonali przełomowego odkrycia. Naukowcy dowiedli, iż impuls elektryczny może być wytwarzany, dzięki ekspozycji ogniw na słońce, przy pomocy wykorzystania materiałów z selenu.
Warto dodać, że selenowe ogniwa słoneczne nie były w stanie pobrać odpowiedniej ilości światła słonecznego, potrzebnego do zasilania urządzeń elektrycznych, dlatego też badania autorstwa Adams’a i Day’a posłużyły jedynie za kanwę do dalszych działań na drodze do rozwoju technologii solarnej.
Osiągnięcia naukowców udowodniły, że stały materiał jest w stanie zmieniać światło w elektryczność, bez potrzeby używania ciepła lub też wprawiania go w ruch. Właściwy proces badań nad fotowoltaiką zaczął się od działań niemieckiego fizyka Alberta Einsteina, który dokonał opisu tego zjawiska w 1904 roku.
14 lat później polski naukowiec Jan Czochralski odkrył metodę produkcji monokrystalicznego krzemu, która skutkowała wytwarzaniem monokrystalicznych ogniw słonecznych. Krzemowe, monokrystaliczne ogniwo słoneczne zostało wyprodukowane w 1941 roku.
Jan Czochralski, źródło: www.pw.edu.pl
Postępująca ewolucja fotowoltaiki
Od pierwszych wzmianek o panelach solarnych upłynęło prawie 50 lat, dlatego fotowoltaika zaczęła intensywnie ewoluować. Przez lata badań panele PV były udoskonalane. Efektywność ich działania stawała się coraz wyższa. W 1953 roku Gerald Pearson, Daryl Chapin i Calvin Fuller dokonali rewolucji i opracowali pierwsze krzemowe ogniwo słoneczne, które było w stanie generować mierzalny prąd elektryczny.
Gerald Pearson, Daryl Chapin i Calvin Fuller, źródło: www.lehigh.edu
Doprowadziło to do wykorzystania krzemu do produkcji paneli fotowoltaicznych. W latach sześćdziesiątych NASA udoskonaliło ogniwa fotowoltaiczne, ponieważ zaczęto wykorzystywać je również w kosmonautyce. Niestety, w dalszym ciągu problemem był rozmiar, trwałość i wydajność paneli PV.
Dopiero lata 70 – te pozwoliły na 80% obniżkę kosztów, związanych z produkcją paneli fotowoltaicznych. Zaczęły one zasilać przejazdy kolejowe, budynki mieszkalne, latarnie morskie. Fotowoltaika pojawiła się tam, gdzie zużycie prądu generowało ogromne koszty.
W dalszym ciągu panele fotowoltaiczne wymagały poprawy swojej wydajności oraz zmniejszenia ceny zakupu. Dopiero w latach dziewięćdziesiątych nastąpiły ogromne zmiany w OZE. Energia słoneczna stała się bardziej popularna na świecie. Powstały pierwsze instalacje fotowoltaiczne, które pozwoliły na uniezależnienie się właścicieli domów jedno i wielorodzinnych od lokalnych dostawców energetycznych.
Ewolucja mocy i wydajności instalacji fotowoltaicznej
W 1997 roku instalacje fotowoltaiczne generowały moc około 115 MWp. W 2007 roku pułap ten zwiększył się do 3 GWp.
Fotowoltaika stała się systemem bardzo wydajnym oraz potrafiącym zasilać wszystkie urządzenia elektryczne oraz elektroniczne, jak również służącym do oświetlenia pomieszczeń, zarówno mieszkalnych jak i firmowych. Moc elektrowni fotowoltaicznych wzrastała z roku na rok.
W wyniku badań, wykonanych przez naukowców, ustalono, że przez 20 lat funkcjonowania fotowoltaiki na świecie, jej moc wzrosła ponad 800 krotnie. Zmianie uległy również rodzaje modułów fotowoltaicznych. 20 lat temu zaczęto wykorzystywać ogniwa a-Si, które posiadały 11% udziału w całkowitej liczbie instalowanych ogniw fotowoltaicznych.
Z uwagi na ich niską wydajność przestały być one używane. W tamtym czasie tylko 2% udziału miały prototypy obecnych paneli krzemowych – panele firmy Ribbon, które, podobnie, jak ogniwa a – Si, również nie znalazły zastosowania z powodów ekonomicznych.
W czasie intensywnego rozwoju technologii fotowoltaicznej prawie 50% paneli PV było modułami monokrystalicznymi, zaś tylko 33% były modułami polikrystalicznymi. Po roku 2016 panele krzemowe stały się wiodącą technologią, którą zaczęto wykorzystywać w budowie instalacji fotowoltaicznych. W obecnym czasie w prawie 50% ogniwa fotowoltaiczne składają się z krzemu polikrystalicznego.
Lokalizacja paneli PV i nagły wzrost zainteresowaniu instalacjami fotowoltaicznymi
W ciągu 20 lat istnienia fotowoltaiki zaszły również duże zmiany pod względem jej lokalizacji. Instalacje fotowoltaiczne w 1997 roku, na terenie Stanów Zjednoczonych Ameryki Północnej oraz w Japonii, znajdowały się wyłącznie na dachach budynków.
W tamtym czasie uważano, iż wydajność fotowoltaiki gruntowej jest dużo mniejsza niż ta, która umiejscowiona jest na dachach budynków. Obecnie tendencja ta uległa zmianie i panele fotowoltaiczne, z powodzeniem można również montować przy gruncie. Zmianie uległ również proces wytwarzania paneli fotowoltaicznych oraz budowania instalacji OZE.
Rewolucja technologiczna zagwarantowała bardzo wysoką wydajność paneli PV, która liczona jest na okres około 25 lat, podobnie jak bezawaryjne, bezobsługowe i efektywne działanie ogniw fotowoltaicznych. Zmiana w produkcji paneli PV pozwoliła także na dopasowanie ich mocy i wydajności do każdego klimatu.
Na przestrzeni lat fotowoltaika stała się bardzo popularna. Najlepszym tego dowodem są kraje azjatyckie, które po 1997 roku posiadały tylko 1% udziału w OZE. Obecnie Chiny, Tajwan czy Malezja zwiększyły ilość posiadanych instalacji fotowoltaicznych o prawie 57%. Zasilają one, nie tylko budynki prywatne, ale również duże koncerny.
Przyszłość fotowoltaiki i zmiany w technologii jej produkcji
Zdaniem naukowców już wkrótce fotowoltaika stanie się jednym z głównych źródeł pozyskiwania energii elektrycznej. Dlatego też, nie powinno dziwić, iż w dalszym ciągu trwają badania nad rozwojem tej technologii.
W opinii inżynierów panele PV, które znamy, mogą zostać zastąpione mikropanelami. Naukowcy pracują nad tym, aby dostosować je do możliwości finansowych każdego klienta, zainteresowanego posiadaniem domowej elektrowni.
Uważa się, iż mikropanele, składające się z kilku warstw materiału, byłyby bardziej wydajne w pracy. Badacze z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles analizują wykorzystanie efektywnych, cienkowarstwowych ogniw słonecznych. Są to ogniwa dwuwarstwowe, które wytwarzają znacznie więcej energii, niż standardowe panele fotowoltaiczne.
Moduł produkuje się przez natryskiwanie perowskitu, czyli minerału o bardzo dużej skuteczności w wychwytywanie światła słonecznego. W dolnej warstwie ogniwa umieszczono związek chemiczny – miedzi, galu, selenu i indu. Takie ogniwo przetwarzałoby rekordową ilość energii słonecznej.
Pionierami tej technologii są Polacy, a konkretnie polska fizyk Olga Malinkiewicz, która już kilka lat temu opracowała metodę niskotemperaturowej technologii wytwarzania ogniw fotowoltaicznych o bardzo dużych dużej elastyczności. Naukowcy z Wielkiej Brytanii zastanawiają się czy panele fotowoltaiczne w innym kształcie, mogą zwiększyć ich wydajność. Na wydziale Fizyki Uniwersytetu w Harvick odkryto, że zdeformowane panele fotowoltaiczne posiadają większą moc.
Olga Malinkiewicz, źródło: news.yahoo.com
Fotowoltaika, od czasów badań naukowych nad wykorzystaniem OZE, przeszła rewolucyjne zmiany technologiczne i zaczęła być produkowana na skalę masową. Panele fotowoltaiczne stały się niezawodnym, ekologicznym, bezpiecznym i nieograniczonym sposobem pozyskiwania energii z promieniowania słonecznego.