Kierunki rozwoju fotowoltaiki w roku 2023

Kierunki rozwoju polskiej fotowoltaiki są ściśle związane z sytuacją w kraju, jak również w całej Unii Europejskiej. Wyznacznikiem wydaję się być przyjęty przez szefów rządów krajów członkowskich Unii Europejskiej cel w redukcji CO2 dla Unii Europejskiej na rok 2030. Rada Europejska zadecydowała, że wyniesie on co najmniej 55 % w stosunku do roku 1990. Takie zwiększenie celu redukcji emisji do poziomu 55 % może doprowadzić do wzrostu cen uprawnień do emisji CO2 nawet do 41 euro/EUA w 2025 i 76 euro/EUA w 2030 roku.

Światowe trendy dotyczące rozwoju fotowoltaiki są ściśle związane ze światowym rynkiem produkcji energii elektrycznej. Produkcja i konsumpcja energii elektrycznej jest stałym elementem rozwoju gospodarczego każdego państwa na świecie. Nic nie wskazuje aby miało się to zmienić, nawet w odległej przyszłości. To determinuje najważniejsze trendy w fotowoltaice, a te pozostają niezmienne od co najmniej dekady. 

Rozwój koncentruje się głównie na dwóch aspektach: 

1. obniżeniu kosztów produkcji ogniwa, 
2. ciągłym podnoszeniu jego sprawności w zakresie konwersji energii słonecznej na energię elektryczną. 

W związku z powyższym największy popyt rynkowy dotyczy innowacyjnych rozwiązań, które nawet w najmniejszym stopniu przyczynią się do obniżenia kosztu produkcji, ogniwa i modułu fotowoltaicznego lub choć minimalnie zwiększą ich sprawność konwersji. Dotyczy to samych ogniw jak również modułów PV. 

Wydawać by się mogło, że w tym drugim obszarze fotowoltaika oparta na ogniwach krzemowych osiągnęła już kres swoich możliwości, a jednak nadal pojawiają się ogniwa i moduły o jeszcze większej sprawności konwersji. Pod koniec zeszłego roku firma Longi zaprezentowała ogniwo o sprawności 26,81 % [1] (więcej w artykule: „Nowy rekord sprawności krzemowego ogniwa słonecznego”) a już w marcu 2023 pojawił się na rynku moduł firmy AIKOSOLAR o sprawności aż 23,6% [2]. To wyraźnie więcej niż dotychczasowy rekord firmy Maxeon, który oferuje moduły o sprawności 22,8 %. 

Ponadto, w chwili obecnej,  na świecie można wyróżnić wiele celów szczegółowych, które w ostatnim czasie są przedmiotem intensywnych badań. Poniżej przedstawiono kilka wybranych z nich. 

1. Redukcja konsumpcji srebra wykorzystywanego do wykonywania elektrod metalowych. Na etapie produkcji ogniwa następuje ona głównie przez udoskonalanie technik wytwarzania przedniej elektrody metalowej ogniwa ale prowadzone są także badania mające na celu zastąpienia srebra innym pierwiastkiem. (więcej w artykułach: „Rosnący popyt na srebro w fotowoltaice – problemy, trendy, innowacje – cz. 1" oraz „Rosnący popyt na srebro w fotowoltaice – problemy, trendy, innowacje cz. 2”)
2. Rozwój ogniw perowskitowych. Poszukiwanie nowych lub dotąd nie produkowanych na skalę masową rodzajów ogniw fotowoltaicznych. W przypadku ogniw perowskitowych kluczowa jest dalsza poprawa trwałości oraz zwiększenie powierzchni aktywnej (więcej w artykułach: „Stabilność perowskitowych ogniw słonecznych cz.1" oraz „Stabilność perowskitowych ogniw słonecznych cz. 2”). Przykładem poszukiwania nowych rodzajów ogniw są takie rozwiązania, jak choćby zastosowanie nanosłupków ZnO w architekturze ogniw fotowoltaicznych [3]. Poszukuje się też nowych obszarów zastosowań dla tego typu ogniw (więcej w artykule: „Fotowoltaika oparta na perowskitach w przestrzeni kosmicznej”). Innym ważnym obszarem zastosowań będą prawdopodobnie ogniwa tandemowe w których ogniwo perowskitowe zostanie połączone z ogniwem krzemowym (więcej w artykule: ”Tandemowe ogniwa słoneczne – podstawy, zasada działania, perspektywy”). 
3. Zaostrzenie kryteriów dotyczących testowania modułów fotowoltaicznych. Rosnące wymagania dotyczące jakości wprowadzanych na rynek modułów PV. Ma to na celu jeszcze bardziej ugruntować pozycję fotowoltaiki jako pewnego i wydajnego źródła energii elektrycznej. Związane jest to także z oczekiwaniami inwestorów, którzy chcą mieć pewność, że przez wiele lat zainstalowane przez nich moduły będą pracować bezawaryjnie (więcej w artykule: „Kryteria dotyczące badań modułów PV – kierunki rozwoju”).
4. Udoskonalenie technologii produkcji ogniw o najwyższej sprawności w tym typu HJT oraz BC. Prace koncentrują się głównie na dopracowywaniu technologii, a co za tym idzie na ciągłym podnoszeniu sprawności tego typu ogniw. W skali laboratoryjnej wytworzono ogniwa o sprawności konwersji wynoszącej 26,81 % [1] (więcej w artykule: „Nowy rekord sprawności krzemowego ogniwa słonecznego”)
5. Agrowoltaika – łączenie uprawy roślin z produkcją energii. To trend, który z jednej strony zorientowany jest na wykorzystywanie powierzchni upraw do instalacji modułów PV, a z drugiej pozwala na wspomaganie wzrostu roślin przez zastosowanie specjalnych modułów PV (więcej
   w artykule: „Agrowoltaika – trendy rynkowe”). 

Nadal rozwijana jest także fotowoltaika zintegrowana z budownictwem i także z wykorzystaniem ogniw innych niż te oparte na krzemie. Przykładem może być tu projekt BOOSTER finansowany ze środków UE (budżet 8.2 miliona Euro start projektu 01/09/2020). W projekcie tym nie są wykorzystywane ogniwa na bazie krzemu krystalicznego ale planowane jest wykorzystanie elastycznych organicznych folii fotowoltaicznych (OPV), które uważa się za obiecujące do zastosowania w BAPV (Building Applied Photovoltaics). Moduły OPV charakteryzują się krótkim czasem zwrotu energii włożonej w ich produkcję oraz powstają w oparciu o materiały, które są łatwo dostępne i nietoksyczne. Celem projektu jest doprowadzenie technologii wytwarzania organicznych ogniw fotowoltaicznych do siódmego poziomu gotowości technologicznej (TRL 7), zwiększając sprawność i żywotność modułów oraz optymalizując koszty produkcji. Wynikiem projektu ma być moduł „gotowy do przyklejenia” oraz moduł zintegrowany z tkaniną. Obecnie pojawiły się pierwsze publikacje i prezentacje na ten temat [6,7]. 

Należy wyraźnie podkreślić, że nie są to jedyne kierunki w jakich przebiega obecnie rozwój fotowoltaiki na świecie, ale wybrane obszary badawcze, w których znajdują się, lub mogły by się znaleźć także prace polskich jednostek naukowych. Podobnie ma się sprawa z polskimi przedsiębiorstwami. Także dla nich jest miejsce w każdym z tych obszarów. Rozwój przebiega w wielu kierunkach i obejmuje zagadnienia od produkcji materiałów dla fotwoltaiki przez produkcje ogniw aż po produkcję modułów oraz tematy związane z ich zastosowaniem oraz testowaniem. 

W artkule wykorzystano ogólnodostępne materiały, "Foresight technologiczny poleskiej branży PV w perspektywie do 2025" oraz: 

1. https://www.pv-magazine.com/2022/11/21/longi-claims-worlds-highest-silicon-solar-cell-efficiency/
2. TAIYANG NEWS - https://taiyangnews.info/ - marzec 2023
3. E.  Placzek-Popko, K.  Gwozdz, Z. Gumienny, E. Zielony, R. Pietruszka, B.S. Witkowski, Ł. Wachnicki, S. Gieraltowska, M. Godlewski, W. Jacak and Liann-Be  Chang, “Si/ZnO nanorods/Ag/AZO structures as promising photovoltaic plasmonic cells”, Journal of Applied Physics 117, 193101 (2015)
4. https://cordis.europa.eu/project/id/952911/pl
5. Horizon 2020 - Boost Of Organic Solar Technology for European Radiance
6. Ezgi Nur Güler et al 2022, “Fully solution-processed, light-weight, and ultraflexible organic solar cells” Flex. Print. Electron. 7 025003
7. Barrier coatings for Next Generation Front Sheets for Organic Photovoltaics – Patrick Schlenz, Leopold Moimeaux, Valentijn J.J. von Morgen, John Fahlteich – ISFOE conference – 4-7 July 2022