Fotowoltaika jest dziś jedną z najpopularniejszych technologii, która pozwala zminimalizować koszty związane z zużyciem energii elektrycznej. Masowa produkcja paneli słonecznych sprawiła, że obecnie jest to rozwiązanie dużo bardziej dostępne cenowo. A przecież jeszcze nieco ponad pół wieku temu była to bardzo ekskluzywna i droga technologia, którą wykorzystywano do podboju przestrzeni kosmicznej.

Początki, czyli odkrycie efektu fotowoltaicznego

Za początki współczesnej fotowoltaiki można przyjąć 1839 r., kiedy to 19-letni wówczas francuski fizyk Alexandre Edmond Becquerel dokonał pewnego odkrycia w laboratorium swojego ojca podczas eksperymentowania z elektrodami metalowymi i elektrolitem. Pokryte chlorkiem srebra elektrody platynowe zanurzył w elektrolicie i po ich naświetleniu światłem słonecznym zauważył, że wytworzyła się niewielka ilość napięcia i prądu elektrycznego. Zjawisko to nazywamy efektem fotowoltaicznym i jest podstawą przetwarzania światła słonecznego bezpośrednio w energię elektryczną.

Prawie 4 dekady trzeba było czekać na kolejny istotny krok w kierunku powstania ogniw słonecznych. W 1876 r. brytyjscy fizycy William Grylls Adams i Richard Evans Day odkryli, że pozostawienie na działanie światła materiałów z selenu prowadziło do wytworzenia impulsu elektrycznego.

W oparciu o efekt Becquerela i odkrycie brytyjskich fizyków Charles Fritts w 1884 r. opracował pierwsze ogniwo słoneczne. Amerykanin wykorzystał w tym celu materiał z selenu, który pokrył cienką warstwą złota. Sprawność jego ogniw wynosiła zaledwie ok. 1%, jednak wynalazek Frittsa znalazł użyteczne zastosowanie. Wykorzystano go do pomiaru światła w fotodiodach, a także w czujnikach dymu i odbiornikach podczerwieni.

Swoje cegiełki do rozwoju ogniw słonecznych wnieśli również m.in. Albert Einstein i Jan Czochralski. Twórca teorii kwantowej opisał naturę światła i efekt fotowoltaiczny. W swojej pracy wykazał, że światło to strumień fotonów, które niosą ściśle określoną porcję energii. Natomiast polski chemik w 1916 r. odkrył metodę otrzymywania monokryształów krzemu, która umożliwiła wytwarzanie monokrystalicznych ogniw słonecznych i jest wykorzystywana do dziś.

Pierwsze ogniwo krzemowe, które zostało zbudowane metodą Czochralskiego, powstało w 1941 r. Jednak prawdziwy przełom nastąpił w kolejnej dekadzie. W 1954 r. naukowcy Gerald Pearson, Daryl Chapin i Calvin Fuller stworzyli pierwszy krzemowy panel słoneczny, który wytwarzał mierzalną ilość prądu elektrycznego. Sprawność ogniwa była na poziomie 6%, a wygenerowany prąd służył do zasilania zabawki i radia.

Ogniwa fotowoltaiczne głównym źródłem energii w kosmosie

Choć przełom został osiągnięty, to wciąż niska sprawność ogniw i wysoki koszt ich wyprodukowania powodowały, że nie nadawały się one do powszechnego użytku – mimo że w „The New York Times” opisano tę technologię jako „początek nowej ery”, w której będzie możliwe „wykorzystanie niemal nieograniczonej energii słońca do zastosowań cywilizacyjnych”. Być może na dłużej zapomniano by o ogniwach słonecznych, gdyby nie amerykańska armia i NASA.

W 1958 r. krzemowe ogniwa słoneczne znalazły się na pokładzie satelity Vanguard 1. Co ciekawe, niewiele brakowało, żeby do zasilania satelity wykorzystano jednak baterie chemiczne. Ostatecznie zdecydowano się na podwójny system zasilania, co okazało się punktem przełomowym dla ogniw słonecznych. Zamocowane na pokładzie satelity ogniwo słoneczne zapewniało wystarczającą ilość energii do przesyłania danych na Ziemię aż przez 7 lat.

Lata 60. XX w. to dalszy rozwój technologii ogniw słonecznych oraz wzrost ich wydajności i trwałości. Wciąż jednak wysokie koszty wyprodukowania ogniw sprawiały, że była to technologia wykorzystywana jedynie przez firmy z branży kosmicznej, które były w stanie zapłacić za nią duże pieniądze. Nie było bowiem żadnych przesłanek, żeby inwestować w tańsze, a przy tym mniej wydajne rozwiązania.

Półprzewodniki i spadek cen ogniw

Być może taki stan rzeczy utrzymywałby się jeszcze przez dłuższy czas, gdyby nie kolejna rewolucja. Było nią zastąpienie lamp elektronowych przez elementy półprzewodnikowe, głównie tranzystory i układy scalone. Zmiana ta pociągnęła za sobą znaczący spadek cen płytek krzemowych, które są kluczowym elementem ogniw słonecznych, bo odpowiadają za ich wydajność. Wraz ze spadkiem ceny płytek krzemowych nastąpił gwałtowny spadek cen wytwarzanych z nich ogniw słonecznych.

Jeszcze w 1971 r. koszt ogniw słonecznych wynosił ok. 100 dolarów za 1 Wat. W 1977 r. koszt ten spadł do 76 dolarów, a w 2015 r. wynosił on już zaledwie 0,3 dolara za 1 Wat.

Cały czas rośnie również wydajność i efektywność ogniw fotowoltaicznych. Naukowcy z niemieckiego instytutu Fraunhofer ISE (Institute for Solar Energy Systems) osiągnęli rekordową wydajność na poziomie 47,6% w warunkach laboratoryjnych – co oznacza, że ogniwa słoneczne są obecnie bardziej wydajne niż rośliny. Tak wysoki wynik udało się osiągnąć dzięki zastosowaniu udoskonalonej, czterowarstwowej powłoki antyrefleksyjnej ogniwa, którą wykonano z fosforku indu galu i arsenku indu galu.

Kolejne generacje ogniw fotowoltaicznych

Ostatnie lata przyniosły nie tylko gwałtowny wzrost popularności paneli fotowoltaicznych, ale również, a może przede wszystkim, ich szybki rozwój technologiczny. W przypadku ogniw I generacji (tzw. grubowarstwowych) mieliśmy do czynienia z ogniwami monokrystalicznymi i polikrystalicznymi. Te pierwsze wyróżniały się większą sprawnością i dłuższą żywotnością, a także lepszą odpornością na wysokie temperatury. Wyższa sprawność powodowała, że można było instalować je na mniejszej powierzchni.

Ogniwa polikrystaliczne są natomiast tańszym rozwiązaniem, choć z czasem różnica w cenie obu rodzajów paneli wyraźnie się zmniejszyła. Ponadto miały lepszą wydajność podczas pracy w warunkach światła rozproszonego (np. w czasie większego zachmurzenia).

Choć wciąż popularne są ogniwa krzemowe, to stopniowo coraz większe powodzenie zyskują również ogniwa drugiej generacji, czyli cienkokrystaliczne, które są tańszym rozwiązaniem. W grupie tej można wyróżnić kilka rodzajów ogniw, które różnią się przede wszystkim materiałem, z którego zostały wykonane. Różni je sposób produkcji (za pomocą naparowywania, napylania i epitaksji), grubość (od 0,001 do 0,08 mm) i uzyskiwana sprawność.

Ogniwa drugiej generacji wykonywane są z takich materiałów, jak tellurek kadmu (CdTe), krzemu amorficznego czy też mieszanki miedzi, indu, galu i selenu (CIGS).

Przyszłość ogniw fotowoltaicznych należy do perowskitów?

Ogniwa fotowoltaiczne cały czas są obiektem badań i prac różnych podmiotów, w tym instytucji naukowych. Wykorzystuje się nowe, często bardzo nietypowe materiały. Poprawia się sprawność ogniw, redukuje ich masę. Wśród nowych materiałów z pewnością na uwagę zasługują perowskity, które są giętkie, elastyczne i półprzezroczyste, co otwiera przed nimi nowe możliwości m.in. w zakresie miejsca montażu (np. na szybach, ubraniach czy miniaturowej elektronice użytkowej). Ogniwa perowskitowe są lżejsze, bardziej odporne i prostsze oraz tańsze w produkcji. Przy tym są w stanie generować prąd w pochmurne dni, a także przy sztucznym świetle.

Perowskity to wciąż jednak stosunkowo nowa technologia i pojawiają się pewne ograniczenia, które wiążą się z ich żywotnością czy pracą w wilgotnym środowisku. Można się jednak spodziewać dalszych badań na perowskitami i ulepszania tej technologii ogniw słonecznych. A nawet gdyby okazało się, że jednak nie jest to optymalny materiał do budowy paneli słonecznych, można mieć nadzieję, że skala i zakres prowadzonych obecnie prac badawczych nad ogniwami słonecznymi pozwoli odkryć nowe i lepsze rozwiązanie.