Rosnąca popularność odnawialnych źródeł energii sprawia, że coraz więcej uwagi poświęca się temu, z czego właściwie powstają technologie „zielonej energii”. Panele fotowoltaiczne kojarzą się zazwyczaj ze szkłem, krzemem i metalem, jednak coraz częściej w procesie ich projektowania i produkcji pojawiają się także biosurowce. To materiały pochodzenia biologicznego – z roślin, mikroorganizmów lub odpadów organicznych – które mogą zastępować tradycyjne, wysokoemisyjne komponenty. Na stronie biosurowce.pl można znaleźć liczne przykłady takich rozwiązań, pokazujące, że przyszłość fotowoltaiki nie kończy się na samym krzemie. Włączenie biosurowców do łańcucha wartości PV może zmniejszyć ślad węglowy paneli, ułatwić ich recykling oraz zwiększyć akceptację społeczną inwestycji energetycznych. Coraz więcej firm i ośrodków badawczych rozwija technologie, w których materiały roślinne, biopolimery i biodegradowalne kompozyty stają się ważnym elementem konstrukcji modułów.

Czym są biosurowce w kontekście fotowoltaiki?

Biosurowce to materiały wytwarzane z zasobów odnawialnych, najczęściej pochodzenia roślinnego, ale również z alg, mikroorganizmów czy produktów ubocznych przemysłu rolno‑spożywczego. W fotowoltaice mogą one zastępować wiele elementów opartych na paliwach kopalnych – od warstw ochronnych po komponenty konstrukcyjne i części przewodzące.

W tradycyjnych modułach PV dominują surowce mineralne i syntetyczne: szkło, aluminium, krzem, tworzywa sztuczne oraz kleje i laminaty bazujące na produktach petrochemicznych. Wdrożenie biosurowców ma dwa główne cele. Po pierwsze, redukcję emisji związanych z wytwarzaniem paneli, po drugie – poprawę ich cyklu życia, w tym możliwości demontażu i odzysku materiałów. Dzięki temu fotowoltaika może stać się nie tylko bezemisyjna w fazie eksploatacji, ale również znacznie „czystsza” w procesie produkcji.

Rodzaje biosurowców stosowanych w produkcji paneli fotowoltaicznych

W przypadku modułów PV biosurowce pojawiają się przede wszystkim w trzech obszarach: w warstwach polimerowych (laminaty, folie, osłony), w elementach konstrukcyjnych (ramy, podkonstrukcje) oraz w wybranych warstwach funkcjonalnych (powłoki, spoiwa, kleje, komponenty przewodzące). Coraz częściej są także łączone w zaawansowane biokompozyty, które łączą cechy materiałów naturalnych i syntetycznych.

Biopolimery jako zamiennik klasycznych tworzyw sztucznych

Jednym z najważniejszych zastosowań biosurowców w fotowoltaice jest zastępowanie tradycyjnych polimerów biopolimerami. Klasyczne folie EVA czy PET, stosowane jako warstwy enkapsulujące ogniwa, powstają w oparciu o produkty ropopochodne. Biopolimery, produkowane z surowców roślinnych, pozwalają zmniejszyć uzależnienie od ropy oraz obniżyć ślad węglowy gotowego modułu.

Najczęściej badane i wdrażane biopolimery w fotowoltaice to między innymi poliaktyd (PLA), polimery na bazie skrobi, a także bardziej zaawansowane materiały otrzymywane z olejów roślinnych. Mogą one pełnić rolę folii enkapsulujących, warstw ochronnych tyłu modułu lub komponentów w strukturach kanapkowych. Kluczowe jest zapewnienie im wysokiej odporności na promieniowanie UV, wilgoć i wahania temperatury, tak aby ich trwałość była porównywalna z konwencjonalnymi laminatami.

Biopolimery można również modyfikować dodatkami mineralnymi lub włóknami naturalnymi, zwiększając ich sztywność, stabilność wymiarową oraz odporność mechaniczno‑termiczną. Dzięki temu stają się pełnoprawnym zamiennikiem tradycyjnych tworzyw sztucznych, przy jednoczesnym ograniczeniu presji na zasoby kopalne.

Naturalne włókna w kompozytach konstrukcyjnych

Coraz więcej badań dotyczy wykorzystania naturalnych włókien roślinnych jako zbrojenia w kompozytach stosowanych w konstrukcji paneli fotowoltaicznych. Zamiast włókien szklanych czy węglowych używa się włókien lnu, konopi, juty, sisalu, bambusa lub innych lokalnie dostępnych surowców. Takie włókna połączone z biopolimerem lub żywicą częściowo biosyntetyczną tworzą materiały o dobrym stosunku wytrzymałości do masy.

Tak powstałe biokompozyty mogą pełnić funkcję tylnej płyty modułu, elementów usztywniających lub komponentów konstrukcyjnych w zintegrowanych systemach fotowoltaicznych, na przykład w rozwiązaniach typu BIPV, w których moduły zastępują fragmenty elewacji czy dachów. Zastosowanie włókien naturalnych pozwala zmniejszyć masę paneli, ograniczyć wykorzystanie energii w procesie produkcyjnym oraz ułatwić recykling, szczególnie gdy osnowę kompozytu również stanowi materiał pochodzenia biologicznego.

Istotną zaletą włókien roślinnych jest również ich odnawialność oraz możliwość ich pozyskiwania z upraw o relatywnie niskich wymaganiach glebowych. Łączy się to z rozwojem rolnictwa zrównoważonego, w którym rośliny włókniste mogą być elementem płodozmianu, poprawiając żyzność gleby i przynosząc dodatkowe dochody dla rolników.

Drewno i materiały drewnopochodne w ramach paneli

Alternatywą dla klasycznych ram aluminiowych są konstrukcje z drewna i materiałów drewnopochodnych. Drewno, odpowiednio zabezpieczone przed wilgocią i promieniowaniem UV, może stanowić stabilną i estetyczną ramę modułu, szczególnie w instalacjach fotowoltaiki zintegrowanej z budynkiem. Takie rozwiązania wpisują się w trend architektury bio‑bazowanej, w której zrównoważone materiały konstrukcyjne łączy się z technologiami energii odnawialnej.

Materiały drewnopochodne, jak sklejki techniczne czy płyty LVL, mogą zostać wykorzystane w podkonstrukcjach dachowych i elewacyjnych dla paneli PV, redukując ilość metalu w systemie. Wymaga to jednak stosowania impregnatów i powłok, które nie zakłócą możliwości recyklingu i nie wprowadzą związków szkodliwych do środowiska. Dlatego rozwijane są biopowłoki oraz oleje modyfikowane chemicznie, stanowiące alternatywę dla klasycznych lakierów syntetycznych.

Biosurowce w warstwach ochronnych i powłokach funkcjonalnych

Kolejną grupą zastosowań biosurowców w fotowoltaice są powłoki ochronne i funkcjonalne. Mogą to być między innymi cienkie warstwy hydrofobowe, antyrefleksyjne lub samoczyszczące, wytwarzane na bazie związków organicznych pochodzenia roślinnego. Dzięki modyfikacjom chemicznym uzyskują one dobrą przyczepność do szkła czy polimerów oraz odpowiednią odporność na czynniki atmosferyczne.

Przykładem są powłoki inspirowane strukturą liści lotosu, w których stosuje się bio‑pochodne związki fluorowe lub krzemowe, ograniczając konieczność użycia klasycznych rozpuszczalników petrochemicznych. Tego typu warstwy mogą zmniejszać zabrudzenie powierzchni modułów, co przekłada się na utrzymanie wysokiej sprawności konwersji energii słonecznej w trakcie całego okresu użytkowania.

Istotną rolę odgrywają również biosurowce w klejach i spoiwach używanych do łączenia elementów modułu. Żywice alkidowe, poliuretany bio‑bazowane czy kleje na bazie białek roślinnych mogą częściowo zastąpić tradycyjne żywice epoksydowe. Zmniejsza to emisje lotnych związków organicznych w czasie produkcji oraz poprawia bezpieczeństwo pracy w zakładach wytwarzających moduły fotowoltaiczne.

Materiały przewodzące z komponentem biologicznym

Choć przewodzące elementy modułów – ścieżki, busbary czy warstwy TCO – wciąż opierają się głównie na metalach i tlenkach metali, prowadzone są prace nad włączeniem biosurowców również do tej grupy materiałów. Jednym z kierunków są przewodzące polimery i kompozyty, w których matryca jest pochodzenia biologicznego, a przewodność zapewniają nanocząstki węgla, grafen lub srebro.

Biosurowce pojawiają się także w podłożach elastycznych dla cienkowarstwowych ogniw organicznych oraz perowskitowych. Stosuje się tu na przykład folie celulozowe lub biopolimerowe, które zastępują klasyczne podłoża z PET. Dzięki temu można wytwarzać ultralekkie, częściowo biodegradowalne moduły, odpowiednie do zastosowań mobilnych, ubieralnych czy tymczasowych instalacji w miejscach oddalonych od sieci.

W perspektywie kilku lat można spodziewać się rosnącej roli biosurowców w segmentach elektroniki drukowanej i fotowoltaiki organicznej, gdzie naturalne polimery i biopochodne dodatki będą stanowić ważny element struktur przewodzących i półprzewodzących.

Biosurowce w fotowoltaice zintegrowanej z budynkami i infrastrukturą

Integracja modułów fotowoltaicznych z budynkami otwiera szerokie pole do zastosowania biosurowców. W rozwiązaniach BIPV, gdzie moduł pełni jednocześnie funkcję materiału budowlanego, szczególnie cenne są biokompozyty łączące funkcje konstrukcyjne, izolacyjne i estetyczne. Mogą one stanowić część fasady, pokrycia dachowego lub balustrad, jednocześnie wbudowując elementy wytwarzające energię.

Biosurowce pozwalają tu na uzyskanie lepszych parametrów cieplnych przegród, poprawę mikroklimatu wewnętrznego oraz zredukowanie ilości materiałów o wysokim śladzie węglowym, takich jak stal czy aluminium. Dodatkowo, dzięki możliwości nadawania zróżnicowanych faktur i barw, biokompozyty ułatwiają integrację modułów z architekturą, co ma znaczenie zwłaszcza w przestrzeni miejskiej i obiektach o wysokich wymaganiach estetycznych.

W infrastrukturze transportowej biosurowce mogą znaleźć zastosowanie w panelach PV montowanych na ekranach akustycznych, wiatrach przystankowych czy elementach małej architektury. Lekkie, wytrzymałe biokompozyty pozwalają na kształtowanie nietypowych form, przy jednoczesnym ograniczeniu zużycia stali i tworzyw petrochemicznych.

Korzyści środowiskowe i gospodarcze zastosowania biosurowców

Włączenie biosurowców w łańcuch wartości fotowoltaiki przekłada się na szereg korzyści środowiskowych. Najważniejszą z nich jest zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych związanych z produkcją modułów. Wykorzystanie surowców pochodzenia roślinnego, które w trakcie wzrostu pochłaniają dwutlenek węgla z atmosfery, pozwala częściowo „zrównoważyć” emisje związane z procesami przemysłowymi.

Istotna jest również mniejsza energochłonność wielu procesów wytwarzania biosurowców w porównaniu z produkcją aluminium czy tworzyw syntetycznych. Kolejną korzyścią jest potencjał do poprawy gospodarki odpadami – biosurowce mogą pochodzić z resztek rolniczych, odpadów drzewnych czy produktów ubocznych przemysłu spożywczego, co zwiększa stopień wykorzystania surowców w obiegu zamkniętym.

Z punktu widzenia gospodarki lokalnej biosurowce tworzą nowe możliwości dla rolników i przedsiębiorstw z sektora przetwórstwa biomasy. Uprawa roślin włóknistych, dostarczanie surowca do produkcji biopolimerów czy rozwój małych zakładów wytwarzających kompozyty bio‑bazowane może zwiększyć dochody na obszarach wiejskich. Tworzy to sieć powiązań między sektorem energii, rolnictwem i przemysłem materiałowym.

Wyzwania techniczne i ograniczenia biosurowców w PV

Mimo licznych zalet, szerokie wdrożenie biosurowców do produkcji paneli fotowoltaicznych napotyka na wyzwania. Najważniejszym z nich jest zapewnienie długoterminowej trwałości materiałów w warunkach zewnętrznych, w tym odporności na wilgoć, promieniowanie UV oraz amplitudy temperatury. Moduły PV projektuje się zwykle na okres eksploatacji sięgający 25–30 lat, co oznacza, że biosurowce muszą spełnić rygorystyczne wymagania dotyczące starzenia i stabilności.

Drugim istotnym wyzwaniem jest standaryzacja oraz certyfikacja nowych materiałów. Wprowadzenie biokompozytów czy biopolimerów wymaga przejścia pełnego cyklu badań, obejmujących między innymi testy ogniowe, mechaniczne, elektryczne oraz odporność na czynniki środowiskowe. Proces ten jest kosztowny i czasochłonny, co spowalnia tempo komercjalizacji.

Ograniczeniem bywa również dostępność surowców o powtarzalnej jakości oraz skalowalność produkcji. W przypadku gwałtownego wzrostu popytu istnieje ryzyko konkurencji o ziemię między uprawami energetycznymi, włóknistymi a żywnościowymi. Dlatego istotne jest, aby rozwój biosurowców opierał się przede wszystkim na wykorzystaniu odpadów, produktów ubocznych oraz roślin uprawianych na gruntach o mniejszej przydatności rolniczej.

Przyszłość biosurowców w fotowoltaice

Znaczenie biosurowców w fotowoltaice będzie się systematycznie zwiększać wraz z zaostrzaniem wymogów środowiskowych oraz rosnącą presją na dekarbonizację całych łańcuchów dostaw. Rozwój technologii biopolimerów, biokompozytów i bio‑pochodnych powłok funkcjonalnych tworzy podstawy do stopniowego wypierania części materiałów petrochemicznych z modułów PV.

Jednocześnie można spodziewać się rosnącej roli analiz cyklu życia, które będą wskazywać, gdzie zastosowanie biosurowców przynosi największy efekt środowiskowy przy zachowaniu wysokiej trwałości i bezpieczeństwa. W miarę jak koszty wytwarzania biopolimerów i kompozytów będą spadały, rozwiązania te staną się konkurencyjne również ekonomicznie, nie tylko w niszowych zastosowaniach, ale w masowej produkcji paneli.

Połączenie fotowoltaiki z biosurowcami wpisuje się w szerszą transformację sektora energetycznego w kierunku gospodarki obiegu zamkniętego. W przyszłości panele PV mogą stać się nie tylko źródłem czystej energii, lecz także elementem systemu materiałowego, w którym znaczna część komponentów pochodzi z odnawialnych zasobów i po zużyciu wraca do obiegu w formie nowych produktów.

Podsumowanie

Zastosowanie biosurowców w produkcji paneli fotowoltaicznych obejmuje między innymi biopolimery zastępujące klasyczne tworzywa, naturalne włókna w kompozytach, drewno i materiały drewnopochodne w ramach oraz bio‑pochodne powłoki ochronne i kleje. Wprowadzanie tych materiałów przyczynia się do redukcji śladu węglowego modułów, poprawy możliwości recyklingu oraz tworzenia nowych powiązań między sektorem energii a rolnictwem i przemysłem przetwórstwa biomasy.

Choć nadal istnieją wyzwania związane z trwałością, standaryzacją i skalą produkcji, kierunek rozwoju jest wyraźny: fotowoltaika będzie coraz silniej powiązana z odnawialnymi zasobami materiałowymi. W efekcie moduły PV staną się częścią szerszego ekosystemu technologii, w którym biomateriały i gospodarka cyrkularna odgrywają kluczową rolę w przejściu do niskoemisyjnej i bardziej zrównoważonej energetyki.