Co to są ogniwa tandemowe i jak zmieniają rynek fotowoltaiki. Wstęp do artykułu przybliża kluczowe zagadnienia związane z rozwojem technologii solarnej oraz innowacji, które wspierają przejście na energię słoneczną jako kluczowy element globalnej transformacji energetycznej.
Podstawy technologii fotowoltaicznej
Fotowoltaika opiera się na zjawisku przemiany promieniowania słonecznego w energię elektryczną za pomocą ogniw fotowoltaicznych. Każde ogniwo składa się głównie z półprzewodnikowych materiałów, zwykle krzemu, który generuje prąd pod wpływem światła. Kluczowe etapy działania to:
- Absorpcja fotonów – światło padające na ogniwo uwalnia elektrony,
- Separacja nośników – powstające elektrony i dziury są kierowane do odpowiednich elektrod,
- Wytwarzanie napięcia – różnica potencjałów pomiędzy warstwami ogniwa umożliwia przepływ prądu.
Najbardziej rozpowszechnione są ogniwa monokrystaliczne i polikrystaliczne, których sprawność sięga średnio 15–22%. Jednak dalszy postęp wymaga zwiększenia wydajności oraz redukcji kosztów produkcji.
Nowoczesne materiały i konstrukcje
Perowskity i hybrydy
Perowskitowe ogniwa stanowią jedną z najbardziej obiecujących technologii alternatywnych wobec krzemu. Cechują się:
- Wysoką absorpcją światła,
- Elastycznością w produkcji cienkowarstwowej,
- Stosunkowo niskimi kosztami surowców.
Jednak stabilność materiału perowskitowego w warunkach rzeczywistego nasłonecznienia nadal wymaga udoskonalenia. Dlatego właśnie rośnie zainteresowanie ogniwami tandemowymi, łączącymi perowskity z klasycznym krzemem.
Ogniwa tandemowe – zasada działania
Ogniwo tandemowe to połączenie dwóch (lub więcej) warstw półprzewodnikowych o różnej szerokości przerwy energetycznej. Dzięki takiej konfiguracji możliwe jest:
- Lepsze wykorzystanie szerokiego spektrum światła,
- Minimalizacja strat związanych z przegrzewaniem,
- Zwiększenie całkowitej sprawności do wartości nawet powyżej 30%.
W typowym ogniwie tandemowym górną warstwę stanowi perowskit, a dolną – krzem. Perowskit absorbując promieniowanie o krótszej długości fali przepuszcza dalsze pasmo do krzemu, co pozwala na efektywniejsze wykorzystanie energii.
Korzyści i wyzwania w praktyce
Główne zalety
- Wyższa sprawność przy tej samej powierzchni modułu,
- Mniejsze straty energii cieplnej dzięki lepszej separacji widma,
- Potencjał obniżenia kosztów przy skali masowej produkcji,
- Możliwość integracji z istniejącymi instalacjami krzemowymi.
Główne wyzwania
- Trwałość perowskitu przy ekspozycji na wilgoć i tlen,
- Złożoność procesu produkcyjnego,
- Potrzeba standaryzacji i certyfikacji nowych modułów,
- Inwestycje w badania nad recyklingiem i odzyskiem materiałów.
Wpływ na rynek i przyszłość fotowoltaiki
Dzięki technologii ogniw tandemowych oczekuje się znaczącego przyspieszenia zrównoważonego rozwoju sektora energetycznego. Kluczowe trendy to:
- Rosnąca konkurencja producentów na rynku modułów o wysokiej sprawności,
- Inwestycje w wielkoskalowe linie produkcyjne perowskitowo-krzemowe,
- Wzrost zapotrzebowania na instalacje w budownictwie mieszkaniowym i komercyjnym,
- Integracja systemów magazynowania energii stymulująca rozwój inteligentnych sieci energetycznych.
Prognozy wskazują, że do 2030 roku ogniwa tandemowe mogłyby osiągnąć znaczący udział w globalnej podaży modułów fotowoltaicznych, co przyczyni się do redukcji emisji CO₂ oraz zwiększenia udziału energii odnawialnej w miksie energetycznym.
Zastosowania i perspektywy
Ogniwa tandemowe znajdują zastosowanie w różnych sektorach:
- Instalacje dachowe i naziemne,
- Systemy off-grid w obszarach o ograniczonym dostępie do sieci,
- Projekty agro-fotowoltaiczne łączące rolnictwo z produkcją prądu,
- Technologie budynków pasywnych i zeroenergetycznych.
W miarę poprawy trwałości i obniżania kosztów produkcji ogniw tandemowych, ich komercjalizacja będzie kluczowym czynnikiem napędzającym rozwój fotowoltaiki na świecie. Współpraca przemysłu, środowisk naukowych i ustawodawców stanie się fundamentem dynamicznego rozwoju nowej generacji instalacji PV.
