Produkcja ogniw i modułów rośnie z roku na rok w ogromnym tempie. W 2022 roku przekroczona została bariera 1TW jeśli chodzi o sumaryczną moc wszystkich wyprodukowanych do tej pory modułów PV. O ile w latach 2000 do 2006 rocznie instalowano mniej niż 1 GW modułów, o tyle już w 2011 przekroczono barierę 30 GW.
W roku 2017 po raz pierwszy zainstalowano na świecie moduły o mocy ponad 100 GW, a w ubiegłym roku aż 240 GW! Tak duże tempo wzrostu pociąga za sobą ogromne wyzwania dotyczące dostępności materiałów do produkcji ogniw i modułów PV. Wielokrotnie pisaliśmy już na naszym portalu o problemie dotyczącym konsumpcji srebra przez przemysł fotowoltaiczny. Rośnie on tak szybko jak wolumen produkcji modułów opartych na ogniwach na bazie krzemu krystalicznego. To właśnie ten rodzaj ogniw wymaga wytworzenia elektrody metalowej, która najczęściej wykonywana jest w procesie sitodruku na bazie srebra. Technologia jest bardzo dobrze opanowana, udoskonalana od wielu lat, a srebro ma prawie same zalety jako materiał do wykonywania elektrod. Ma tylko jedna wadę, jego podaż na świecie jest ograniczona. Ponadto, obok fotowoltaiki ogromnym konsumentem srebra jest przemysł samochodowy, a w szczególności ten skupiający się na produkcji aut elektrycznych. Tu wzrost produkcji także jest ogromny, co powoduje że do 2050 roku srebra może po prostu zabraknąć.
Pierwszym naturalnym działaniem jest ograniczenie konsumpcji srebra podczas produkcji ogniw fotowoltaicznych. Działania w tym celu prowadzone są już od wielu lat. Motorem zmian jest konieczność redukcji ceny ogniwa oraz podnoszenie jego sprawności. Najwięcej badań i innowacji dotyczy redukcji szerokości pojedynczych ścieżek przedniej elektrody ogniwa. O ile redukcja kosztów w takim przypadku jest dość oczywista, gdyż mniej zużytego srebra to niższa cena gotowego ogniwa a co za tym idzie modułu PV, o tyle podnoszenie sprawności poprzez redukcję ilości srebra zużytego do wykonania przedniej elektrody już tak oczywiste nie jest. Wydawać by się mogło, że cieńsze ścieżki to większe problemy z rezystancją, a to z kolei mogłoby prowadzić do spadku mocy ogniwa. Jak się jednak okazuje cieńsze ścieżki to przede wszystkim mniejsze zacienienie powierzchni aktywnej ogniwa a tym samym więcej promieniowania słonecznego docierającego do złącza a w konsekwencji wyższy prąd. Także zmiany w kierunku ogniw o wielu ścieżkach przyłączeniowych (multi busbar) pozwoliły na zastosowanie coraz cieńszych ścieżek zbierających (fingers). Jeszcze niedawno do wytworzenia przedniej elektrody pojedynczego ogniwa PV potrzebne było ponad 100 mg srebra. Obecnie najczęściej produkowane ogniwa typu PERC „zużywają” około 96 mg srebra [1]. To bardzo duży postęp szczególnie, jeśli weźmie się pod uwagę że wielkość ogniw wciąż rośnie a moc omawianego ogniwa PERC to aż 22,8%. Ciągły rozwój technologii pozwala przypuszczać, że możliwe będzie wytworzenie ogniw do produkcji których zostanie wykorzystane tylko około 40 g srebra. Tak znacząca redukcja konsumpcji srebra odsuwa w czasie problem jego dostępności, ale go nie rozwiązuje. Dodatkowo rozwój ogniw typu dwustronnych (bifacial) spowodował, że ilość srebra potrzebna do wytworzenia jednego ogniwa drastycznie wzrosła. W przypadku porównywalnego ogniwa TOPCon potrzeba 163 mg srebra a w przypadku ogniwa HJT 218 mg. [1]. Wartości te na pewno spadną w najbliższych latach ale coraz częściej, wśród ekspertów zajmujących się technologiami fotowoltaicznymi pojawia się pytanie czym zastąpić srebro w ogniwie i czy jest to w ogóle możliwe? Pierwszą naturalna opcją technologiczna jest miedź. Metal ten ma wystarczająco dobre parametry elektryczne, jest tańsza i bardziej dostępna od srebra.
Rys. 1. Ceny miedzi w okresie od lipca 2022 do kwietnia 2023 w PLN/kg [2]
Rys. 2. Ceny srebra w okresie od lipca 2022 do kwietnia 2023 w PLN/kg [2]
Warto przypomnieć, że konsumpcja srebra przez przemysł fotowoltaiczny wyniosła, w rekordowym 2022 roku, około 4000 ton [3]. Złoża miedzi na świecie szacuje się na 674 miliony ton [4]. Ponadto, Polska jest na 5 miejscu na świecie jeśli chodzi o złoża miedzi.
Rys. 3. Zestawienie państw o największych zasobach bilansowych miedzi [4]
Analizując powyższe dane, dotyczące ceny i dostępności miedzi, można zadać pytanie dlaczego miedź nie jest powszechnie stosowana jako materiał na elektrody ogniw fotowoltaicznych? Okazuje się, że podstawową barierą (w pewnym uproszczeniu) jest to, iż może ona dyfundować do krzemu podczas długoletniej eksploatacji a to z kolei prowadzi do degradacji parametrów ogniwa. Pasty na bazie miedzi stosowane w przemyśle elektronicznym dobrze sprawdzają się w układach grubowarstwowych, jednak wytworzenie elektrody ogniwa na bazie samej miedzi, którą w postaci pasty nanosi się techniką sitodruku, jak na razie nie jest możliwe, głównie ze względu na wspominaną już wcześniej dyfuzję do krzemu Prowadzone są prace nad wdrożeniem takich past ale badania są obecnie w fazie początkowej a parametry elektryczne wytworzonych ogniw są gorsze od tych wykonanych z użyciem past na bazie srebra [5].
W artykule wykorzystano ogólnodostępne informacje oraz dane z publikacji oraz portali:
1. Yuchao Zhang, Moonyong Kim, Li Wang, Pierre Verlinden Brett Hallam “Design considerations for multi-terawatt scale manufacturing of existing and future photovoltaic technologies: challenges and opportunities related to silver, indium and bismuth consumption”, Energy Environ. Sci., 2021, 14, 5587
2. https://mennica-rosenberg.pl
3. “WORLD SILVER SURVEY 2023”, Raport The Silver Institute April 2023
4. Państwowy Instytut Geologiczny, Państwowy instytut Badawczy, Państwowa Służba Geologiczna, Wiadomości Surowcowe, Podstawowe informacje o miedzi https://www.pgi.gov.pl/
5. Panek P., Socha R., Putynkowski G., Slaoui A., 2016. The New Copper Composite of Pastes for Si Solar Cells Front Electrode Application. Energy Procedia, 92, pp. 962-970.
