Krzemowe krystaliczne ogniwa fotowoltaiczne są najpowszechniej stosowanym rodzajem ogniw w obecnie produkowanych modułach PV. Najważniejszymi materiałami stosowanymi w produkcji tego typu ogniw są: krzem (płytka krzemowa), aluminium oraz srebro.
Obecnie zdecydowana większość produkowanych ogniw to ogniwa, których przednia (w przypadku ogniw bi-facial także tylna) elektroda metalowa wykonana jest ze srebra. Dominującą techniką wykonywania tej elektrody jest technika sitodruku pasty na bazie srebra, która następnie jest wypalana tak, aby pozbyć się składników organicznych i uformować kontakt pomiędzy metalem a półprzewodnikiem.
Problemy
Podstawowym problemem związanym z produkcją przedniej elektrody na bazie srebra jest cena i dostępność tego materiału. W przypadku ceny mamy do czynienia z dwoma problemami. Pierwszy to fakt, iż cena srebra ulega dużym wahaniom co wpływa na ostateczną cenę ogniwa fotowoltaicznego. Na rysunku 1 pokazano wahania ceny srebra na przestrzeni ostatniego roku.
Rys. 1. Ceny srebra w okresie od 25 lutego 2022 do 26 lutego 2023 [1]
Drugim problemem związanym z ceną srebra jest to, iż jego cena w ujęciu wieloletnim systematycznie rośnie. Na rysunku 2 pokazano zmiany ceny srebra w okresie 5 letnim.
Rys. 2. Ceny srebra w okresie od 25 lutego 2022 do 26 lutego 2023 [1]
W przeszłości zdarzały się już okresy, kiedy srebro kosztowało znaczne więcej niż obecnie (przykładowo 48,6 dolara za uncję w 2011 roku), jednak jego cena w ujęciu wieloletnim rośnie i nic nie wskazuje aby miało się to zmienić.
Wzrost cen srebra związany jest miedzy innymi z faktem, iż z roku na rok rośnie światowy popyt na ten metal. Jak wynika z analiz prowadzonych przez Silver Institute [2], w 2021 roku zapotrzebowanie w sektorze fotowoltaicznym wyniosło 113,7 milionów uncji, a w 2022 może to być nawet 127 milionów uncji srebra.
TABELA 1. Zapotrzebowanie przemysłu na srebro w okresie od 2013 do 2022 roku w milionach uncji
2013 |
2014 |
2015 |
2016 |
2017 |
2018 |
2019 |
2020 |
2021 |
2022 prognoza |
|
Przemysł |
449,6 |
438,9 |
441,1 |
475,3 |
503,6 |
499,6 |
498,1 |
464,9 |
508,2 |
539,6 |
W tym Fotowoltaika |
50,5 |
48,4 |
54,1 |
93,7 |
101,8 |
92,5 |
98,7 |
101,0 |
113,7 |
127,0 |
Całkowite |
1058,7 |
1012,0 |
1052,3 |
979,4 |
951,3 |
975,7 |
980,0 |
880,0 |
1,049,0 |
1101,8 |
Widoczny wzrost popytu w latach 2013 do 2022 w przyszłości może mieć jeszcze większą dynamikę. Prognozy przedstawione przez Silver Institute zakładają również, że w kolejnych latach popyt na srebro w fotowoltaice będzie wzrastać i to znacznie szybciej niż obecnie i znacznie szybciej niż zapotrzebowanie na srebro do produkcji samochodów elektrycznych (Rys. 3) [2].
Rys. 3. Długoterminowa prognoza zapotrzebowania na srebro w fotowoltaice i przemyśle samochodów elektrycznych w odniesieniu do roku 2019 [2]
Kolejną analizą, która mówi o tym że wzrost zapotrzebowania na srebro w przemyśle fotowoltaicznym może być problemem już w najbliższych latach, jest konkluzja zawarta w artykule z końca 2022 roku opublikowanym w czasopiśmie Progress in Photovoltaics [3]. Naukowcy z Australii, Chin i USA pokazują, iż transformacja w kierunku pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych może spowodować wzrost skumulowanej mocy zainstalowanych modułów fotowoltaicznych z 1 TW na koniec 2022 roku do 15, a nawet 60 TW na koniec roku 2050. Dla takiego poziomu produkcji i wprowadzania modułów PV na rynek deficyt srebra byłby jednym z największych problemów. Oznaczałoby to, że już w 2027 fotowoltaika wykorzystywałaby w produkcji 20% światowej podaży srebra, a w 2050 musiałoby to być od 85 do 98%. Dodatkowym problemem jest przechodzenie z technologii ogniw jednostronnych typu PERC na ogniwa bi-facial wykonywane w technologii TOPCon albo HJT. W obu przypadkach wykorzystanie srebra jest wyższe niż w tradycyjnej – dominującej obecnie na rynku - technologii PERC.
Trendy i prognozy
Redukcja srebra potrzebnego do produkcji ogniwa fotowoltaicznego jest wyzwaniem, nad którym prace trwają od wielu lat. Proces wytwarzania przedniej elektrody opary jest na sitodruku dlatego też właśnie ta technologia jest ciągle udoskonalana. Pierwszy znaczący sukces miał miejsce w latach 2007 do 2016 kiedy to udało się tak zmodyfikować sita, pasty i samą technikę sitodruku, że zapotrzebowanie na srebro w jednym ogniwie spadło z 400 mg do 130 mg. Także po 2016 roku ilość srebra potrzebnego do wytworzenia elektrody w pojedynczym ogniwie sukcesywnie malała. Najnowsze prognozy w tym obszarze zawarto w raporcie ITRPV [4]. Autorzy po raz kolejny podkreślają, iż pasty na bazie srebra są najdroższymi materiałami stosowanymi do produkcji ogniw po krzemie. Na rysunku 4 pokazano trend dotyczący przyszłej redukcji srebra.
Rys. 4. Zapotrzebowania na srebro do wykonania elektrody ogniwa fotowoltaicznego
o wymiarach 182 mm x 182 mm dla różnych technologii – źródło ITRPV2022 [4]
Zaprezentowane dane dotyczą znacznie większych ogniw, niż te produkowane w latach 2007 do 2016 a mianowicie rozmiaru M10. Wzrost powierzchni ogniwa wiąże się także ze wzrostem powierzchni przedniej elektrody, a co za tym idzie ilością srebra potrzebnego do jej wykonania. Temat stosowania coraz większych płytek krzemowych do produkcji ogniw szerzej opisano w artykule: Rozmiary ogniw fotowoltaicznych – trendy rynkowe
W artykule wykorzystano materiały własne autora oraz dane z materiałów firmy KODAK.
- Ceny srebra na podstawie danych z portalu monex, data pobrania danych 26.02.2023 - https://www.monex.com/silver-prices/
- “WORLD SILVER SURVEY 2022”, Raport The Silver Institute 2022
- Brett Hallam, Moonyong Kim, Yuchao Zhang, Li Wang, Alison Lennon, Pierre Verlinden, Pietro P. Altermatt, Pablo R. Dias, “The silver learning curve for photovoltaics and projected silver demand for net-zero emissions by 2050”, Prog Photovolt Res Appl. 2022;1–9
- “International Technology Roadmap for Photovoltaic (ITRPV)”, 2021 Results 13. Edition,
Marzec 2022