Panele fotowoltaiczne zaczęły się pojawiać w krajobrazie polskich miast i miasteczek kilkanaście lat temu, więc można pomyśleć, że to nowa technologia. Tak nie jest. Nowością jest popularyzacja zastosowania – dziś panele montuje się nawet na balkonach w domach wielorodzinnych, choć jeszcze do niedawna wydawało się, że tak niewielka instalacja będzie nieopłacalna. Sam pomysł, że światło słoneczne może produkować energię, wyklarował się dużo wcześniej.
Naukowcy od dekad badają, jak pozyskać energię ze słońca
W 1876 roku William Grylls Adams i jego uczeń, Richard Evans Day odkryli, że w efekcie ekspozycji na światło materiałów z selenu może zostać wytworzony impuls elektryczny. Selenowe ogniwa słoneczne nie potrafiły przekształcić wystarczającej ilości światła w taką ilość energii, by zasilić urządzenie elektryczne, ale dowiedziono, że stały materiał może zmienić światło w elektryczność bez ciepła lub ruchu. To był pierwszy krok do kolejnych badań.
Można powiedzieć, że fotowoltaiką zajmował się Albert Einstein. W 1904 roku opublikował pracę, w której opisał efekt fotoelektryczny. W 1918 roku genialny, ale zapomniany polski naukowiec Jan Czochralski opisał metodę produkcji monokrystalicznego krzemu, która umożliwiła monokrystaliczne wytwarzanie ogniw słonecznych.
W latach 60. rozkwitło wykorzystanie ogniw słonecznych w kosmosie, co miało związek z ekspedycjami kosmicznymi NASA. Natomiast w latach 70. koszty produkcji paneli spadły na tyle, że można było wykorzystać je do zasilania latarni morskich, przejazdów kolejowych i innych budynków, które znajdowały się daleko od skupisk ludzkich i podłączenie ich do sieci było zbyt kosztowne. Z kolei w latach 80. zastosowanie ogniw solarnych dotarło „pod strzechy”: wielu Czytelników pamięta kalkulatory, do których nie trzeba było wkładać baterii, bo ładowały je promienie słoneczne. To właśnie fotowoltaika, choć na bardzo niewielką skalę!
Lata 90. przyniosły komercjalizację technologii. Powstały pierwsze instalacje podłączone do sieci i wolnostojące, a rządy kilku państw zaczęły dotować inwestycje fotowoltaiczne. Pod koniec ubiegłego wieku światowym liderem w zakresie instalacji PV były Stany Zjednoczone, za nimi uplasowały się Japonia oraz kraje Europy Zachodniej. Zainteresowania fotowoltaiką nie przejawiały wówczas Chiny, ale wystarczyło 20 lat, by Państwo Środka odpowiadało za połowę mocy zainstalowanej na świecie!
Fotowoltaika. Chiny zostawiły resztę świata w tyle
Chiny są obecnie niekwestionowanym liderem światowej fotowoltaiki. Pod koniec 2021 r. posiadały instalacje fotowoltaiczne o łącznej mocy 323 GW, które zaspokajały około 4,8-6 proc. całkowitego zużycia energii w kraju. Były również rekordzistą pod względem mocy przyłączeń rok do roku ze wzrostem na poziomie 53,9 GW. Chiny rozbudowują magazyny energii, ale również chcą zmniejszyć jednostkowy koszt jej magazynowania o 30 proc. do 2025 roku i stworzyć system, który będzie opłacalny bez dotacji.
W 2021 roku instalacje fotowoltaiczne w Stanach Zjednoczonych wyprodukowały 120 GW energii, co daje temu krajowi drugie miejsce w zestawieniu światowych liderów fotowoltaiki. Zaledwie dekadę wcześniej kraj ten posiadał niewiele ponad 4 GW instalacji solarnych! Szacuje się, że ćwierć miliona osób pracuje na stanowiskach związanych z fotowoltaiką.
W pierwszej połowie 2022 r. amerykański rynek energii słonecznej stanowił około 4,5 proc. krajowego miksu energetycznego. Amerykański ustawodawca chce zachęcić do zwiększenia liczby instalacji i wprowadził 10-letnią ulgę podatkową dla inwestycji na ten cel. Przewiduje się, że do 2027 r. całkowita moc instalacji może wzrosnąć nawet do 335 GW.
Z 74,19 GW w 2021 r. Japonia zajmuje trzecie miejsce pod względem produkcji energii ze słońca. Przykład Japonii jest ciekawy o tyle, że to przecież kraj o bardzo gęstej zabudowie, gdzie ziemia jest towarem deficytowym. Do umieszczania paneli Japonia wykorzystuje m.in. pływające platformy oraz opuszczone pola golfowe, które są pozostałością po boomie na ten sport z lat 80. Zainteresowanie energetyką słoneczną wzrosło w Japonii po katastrofie elektrowni jądrowej w Fukushimie w 2011 roku, kiedy władze uznały, że trzeba rozwijać źródła energii, które w aktywnym sejsmicznie regionie świata będą po prostu bezpieczniejsze.
Tuż za podium znalazły się Niemcy – w 2021 r. posiadały instalacje fotowoltaiczne o łącznej mocy 59 GW. Aż 41,1 proc. tamtejszej energii pochodzi ze źródeł odnawialnych. Niemiecki rząd stawia sobie cel, by do końca 2030 roku łączna moc elektrowni fotowoltaicznych wyniosła 215 GW.
Polska: fotowoltaika rozwija się dynamicznie, ale nie bez przeszkód
A jak na tym tle plasuje się Polska? Raport europejskiego stowarzyszenia branży fotowoltaicznej SolarPower Europe (SPE) potwierdza, że nasz kraj znalazł się na ósmym miejscu, wyprzedzając m.in. Australię czy Holandię. W 2022 roku moc elektrowni fotowoltaicznych w Polsce wzrosła o 4,5 GW. Tempo wzrostu w 2023 roku spadło i istnieje ryzyko, że wypadniemy z pierwszej dziesiątki największych rynków fotowoltaicznych na świecie. Przyrost liczby instalacji domowych PV spowolniły zmiany w zasadach rozliczeń prosumentów, które wprowadzono w Polsce w kwietniu 2022 roku. Obiecujące są za to perspektywy inwestycji w naziemne elektrownie PV: wyzwaniem mogą się jednak stać zmiany w przepisach dotyczących planowania przestrzennego, które mogą wpłynąć na deweloperów farm PV w Polsce.
Zespoły naukowe na całym świecie pracują nad tym, by produkcja paneli fotowoltaicznych była możliwie najtańsza i przyjazna dla środowiska, a także nad wydłużeniem żywotności paneli. Średnia żywotność paneli szacowana jest na 25 lat – przy czym najsłabsze już po 15 przestają działać efektywnie i nie spełniają swej roli. Panele wystawione są nieustannie na działanie niekorzystnych warunków atmosferycznych: śniegu, deszczu, wiatru, intensywnego słońca. Ich recykling dopiero raczkuje, niemniej w Polsce już można znaleźć zakłady przyjmujące zużyte panele fotowoltaiczne. Zagospodarowanie elementów tworzących panel pozwoli na zmniejszenie kosztów produkcji oraz kosztów, jakie ponosi środowisko – bo skoro myślimy o fotowoltaice jako energii przyjaznej dla środowiska, to musi to objąć cały cykl życia paneli.
Również polscy naukowcy pracują nad udoskonalaniem paneli fotowoltaicznych i różnych aspektów pozyskiwania, magazynowania i wykorzystywania energii ze słońca.
Politechnika Warszawska: naukowcy pracują nad zwiększeniem efektywności uzyskiwania energii
Tylko z niewielkiej części promieniowania słonecznego padającego na ogniwa fotowoltaiczne produkowana jest energia. Reszta energii jest tracona, głównie w postaci ciepła. Naukowcy z Politechniki Warszawskiej pracują nad materiałem o ujemnym współczynniku załamania, który nie tylko zredukuje nagrzewanie się ogniwa, ale również pozwoli na zwiększenie efektywności uzyskiwania energii.
Naukowcy zaobserwowali, że odpowiednio zaprojektowany metamateriał hiperboliczny może pełnić dla ogniwa fotowoltaicznego rolę filtra krawędziowego, które odbija promieniowanie podczerwone. A to ono prowadzi do nagrzewania ogniwa i, w konsekwencji, do spadku jego sprawności energetycznej.
– W naszym projekcie dokonujemy zarówno pełnej symulacji parametrów elektrycznych i optycznych, jak i weryfikujemy eksperymentalnie to założenie – powiedział dr inż. Bartosz Fetliński z Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych, kierownik zespołu badawczego, cytowany przez Politechnikę Warszawską. – Tworzymy strukturę metamateriału hiperbolicznego złożonego z ultracienkich warstw, o grubości rzędu nanometrów. Tak stworzona struktura pozwoli m.in. na uzyskanie filtrów o bardzo ostrej krawędzi, bardzo dobrze filtrujących i mających możliwość uzyskania gwałtownego przejścia od transmisji do absorbcji lub odbicia – podkreślił.
To właśnie te cechy metamateriałów hiperbolicznych skłoniły naukowców do zastosowania ich w panelach fotowoltaicznych.
– Do tej pory metamateriały hiperboliczne nie były w taki sposób wykorzystywane, więc nasz projekt cechuje wysoka innowacyjność naukowa – dodał dr Fetliński. – W związku z tym w literaturze nie ma wiarygodnych charakterystyk tych materiałów, które mogłyby zostać użyte w naszym projekcie. Zdarza się tak, że właściwości są opisane w przypadku zastosowania jednej metody nakładania warstw, a nie ma już opisu przy zastosowaniu innej.
Weryfikacja eksperymentalna zamodelowanych struktur metamateriałowych jest realizowana przy współpracy z Instytutem Mikroelektroniki i Fotoniki Sieci Badawczej Łukasiewicz (IMiF) oraz Instytutem Fizyki Polskiej Akademii Nauk (IFPAN).
Uniwersytet Rzeszowski i Politechnika Rzeszowska: wydłużenie pracy paneli
Naukowcy z Uniwersytetu Rzeszowskiego i Politechniki Rzeszowskiej opracowali powłokę wydłużającą pracę paneli fotowoltaicznych
Jak poinformowała liderka zespołu naukowego dr hab. Małgorzata Pociask–Biały, w ramach projektu badacze chcą zastosować wielowarstwową, polimerową powłokę z pęcherzykami powietrza, zamkniętymi pomiędzy dwiema warstwami folii o cechach mikro koncentratorów promieniowania słonecznego.
– Chociaż grubość tej warstwy nie przekracza 30 μm, to będzie to trwała powłoka, która transmisyjnością odpowiadać będzie filtrowi zbudowanemu z układu mikrosoczewek powietrza zamkniętych pomiędzy polimerami – foliami podczas procesu ich nakładania na szkło lub przezroczysty polimer – wyjaśniła w maju, cytowana przez PAP, dr Pociask-Biały.
Efektem prac podkarpackich naukowców jest powłoka, która umożliwi dłuższą pracę modułów fotowoltaicznych. Taki system może być stosowany m.in. w systemach naziemnych produkujących energię elektryczną na potrzeby zasilania akumulatorów samochodów elektrycznych, awaryjnego zasilania kokpitów samolotów, systemów np. analizujących skład atmosfery na różnych wysokościach nad powierzchnią Ziemi czy innych systemów umieszczanych w przestrzeni kosmicznej.
Projekt naukowców z otrzymał blisko 200 tys. dofinansowania w ramach programu grantowego Podkarpackiego Centrum Innowacji.
Fabryka perowskitowych ogniw słonecznych
W 2021 roku we Wrocławiu powstała pierwsza na świecie fabryka perowskitowych ogniw słonecznych. Perowskity to materiały przewodzące prąd oraz absorbujące światło. Z tego też powodu producenci fotowoltaiki dążyli do wykorzystania tych surowców podczas produkcji. Problem stanowiła niska wydajność oraz wysokie koszty.
Z tym zadaniem poradziła sobie polska technolog Olga Malinkiewicz, założycielka firmy Saule Technologies. To właśnie we wrocławskiej fabryce firmy będą produkowane pierwsze na świecie ogniwa słoneczne na bazie perowskitu. Dzięki odkryciu zespołu Malinkiewicz udało się utworzyć materiały o wiele mniejszym nakładem kosztów.
We wrocławskiej fabryce Saule Technologies będą powstawać ogniwa słoneczne na bazie perowskitu. Według ekspertów możliwość zastosowań tych materiałów jest w zasadzie nieograniczona: mogą znaleźć zastosowanie choćby w budownictwie i przy produkcji telefonów komórkowych.
11 listopada tego roku, 28 ogniw perowskitowych stanowiących wyposażenie polskiego satelity obserwacyjnego STORK-7 zostało wyniesionych w kosmos na pokładzie rakiety Falcon 9. Olga Malinkiewicz przekonuje, że perowskity to idealne źródło zasilania w kosmosie ze względu na to, że są znacznie lżejsze od ogniw tradycyjnych i elastyczne, dzięki czemu można je upakować w niewielkiej przestrzeni, a ze względu na możliwość druku cyfrowego mogą przybierać dowolne kształty. Misja jest pierwszym w historii testem tego rodzaju ogniw w przestrzeni kosmicznej.
Nauka to polska specjalność
Wielkie postacie polskiej nauki
Przeczytaj inne artykuły poświęcone polskiej nauce
Projekt współfinansowany ze środków Ministerstwa Edukacji i Nauki w ramach programu „Społeczna Odpowiedzialność Nauki”