Drukowane ogniwa fotowoltaiczne stanowią jedną z najbardziej obiecujących ścieżek rozwoju technologii PV trzeciej generacji. W przeciwieństwie do klasycznych ogniw krzemowych, które wymagają skomplikowanych procesów krystalizacji i wysokich temperatur, drukowane ogniwa mogą powstawać dzięki technikom cienkowarstwowym, z użyciem „tuszy” zawierającej materiały półprzewodnikowe, nanocząstki i związki przewodzące. W artykule zostanie szczegółowo omówione, czym są drukowane panele, jakie mają ograniczenia i zalety, jakie osiągają sprawności oraz czy technologia ta ma potencjał stać się nowym standardem w fotowoltaice.
Przeczytaj także:
- Co to jest śledzenie punktu mocy maksymalnej w systemach fotowoltaicznych?
- Czym są panele amorficzne w fotowoltaice?
- Jaka jest przyszłość agrofotowoltaiki w Polsce?
Czym są drukowane ogniwa fotowoltaiczne?
Technologia drukowanych ogniw fotowoltaicznych opiera się na nanoszeniu kolejnych cienkich warstw funkcjonalnych za pomocą metod druku i pokrewnych technik, zamiast typowych metod próżniowych lub keramicznych procesów wysokotemperaturowych. Do najczęściej stosowanych metod należą druk sitowy, fleksograficzny, slot-die, druk typu roll-to-roll (R2R) oraz inkjet.
Proces rozpoczyna się od elastycznego lub sztywnego podłoża, na którym nanoszone są warstwy przewodzące, transportujące nośniki ładunku, a także warstwa absorpcyjna i elektrody. Szczególną uwagę zwraca się na kompatybilność chemiczną i mechaniczną tych warstw oraz na unikanie defektów, takich jak pęcherze czy przerwy w powłokach.
Najczęściej stosowanym materiałem aktywnym w drukowanych ogniwach są perowskity, czyli halogenki metali o strukturze krystalicznej umożliwiającej efektywną konwersję promieniowania słonecznego. Pod wpływem fotonów powstają pary elektron-dziura, które następnie transportowane są do elektrod i dalej do zewnętrznego obwodu elektrycznego. Całość procesu odbywa się w niskiej temperaturze, co odróżnia technologię od klasycznych paneli krzemowych.
Cechą wyróżniającą drukowane ogniwa jest możliwość produkcji w trybie ciągłym i niskokosztowym. Metody takie jak slot-die i R2R pozwalają na skalowanie w kierunku masowej produkcji, przy zachowaniu kontroli nad grubością i strukturą warstw.
Jaką mają sprawność drukowane ogniwa fotowoltaiczne?
Sprawność konwersji energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną jest kluczowym parametrem definiującym wartość praktyczną ogniw. W przypadku drukowanych perowskitowych ogniw fotowoltaicznych pierwsze prototypy osiągały wartości rzędu kilku procent. Z czasem, wraz z optymalizacją składu warstw i procesu krystalizacji, sprawności znacząco wzrosły.
CSIRO poinformowało o uzyskaniu sprawności 11 % dla modułów o powierzchni około 50 cm² w technologii R2R [6]. W innych badaniach udało się osiągnąć sprawność 15,5 % w pojedynczych ogniwach oraz około 11 % w modułach szeregowanych [7]. Badania nad elastycznymi modułami drukowanymi z modyfikacją warstwy SnO₂ wykazały możliwość uzyskania sprawności 17,0 % dla mini-ogniw i 11,6 % dla większych modułów, przy zachowaniu stabilności w testach mechanicznych i środowiskowych.
W literaturze pojawiają się również doniesienia o jeszcze wyższych sprawnościach, nawet ponad 18 %, jednak zazwyczaj dotyczą one pojedynczych ogniw laboratoryjnych, a nie dużych modułów. Dla porównania, klasyczne moduły krzemowe osiągają obecnie sprawności komercyjne w przedziale 20–23 %, a rekordowe ogniwa tandemowe krzem-perowskit przekraczają 30 %.
Drukowane panele perowskitowe – czym się charakteryzują i czy zrewolucjonizują branżę fotowoltaiczną?
Drukowane panele perowskitowe wyróżniają się lekkością, elastycznością i możliwością integracji z powierzchniami nieregularnymi, co odróżnia je od klasycznych sztywnych paneli krzemowych. Potencjalnie mogą być stosowane w budynkach (BIPV), samochodach, urządzeniach mobilnych, a nawet w odzieży technologicznej.
Największym atutem tej technologii jest niski koszt produkcji. Szacunki wskazują, że w przypadku masowej produkcji cena wytworzenia może spaść do poziomu 0,7 USD/W, czyli wartości konkurencyjnej wobec paneli krzemowych. Dodatkowo istnieje możliwość kształtowania modułów w niestandardowe formy, co otwiera drogę do zastosowań architektonicznych.
Problemem pozostaje stabilność materiałów. Perowskity ulegają degradacji pod wpływem wilgoci, promieniowania UV i zmian temperatury. Choć stosowanie barier ochronnych i elektrod węglowych poprawia odporność modułów, technologia wciąż wymaga dopracowania.
Niektórzy eksperci podkreślają jednak, że potencjał rewolucyjny tej technologii jest realny. Łączenie jej z klasycznym krzemem w układach tandemowych może prowadzić do powstania paneli o sprawności wyższej niż 30 %, co stanowiłoby przełom w fotowoltaice.
Czy drukowane ogniwa fotowoltaiczne będą wprowadzone jako standard w panelach fotowoltaicznych?
Aby drukowane ogniwa mogły stać się standardem, muszą spełniać wymagania dotyczące trwałości, niezawodności i efektywności kosztowej. Obecnie sprawności rzędu 15–17 % w warunkach laboratoryjnych są obiecujące, jednak stabilność w realnych warunkach atmosferycznych pozostaje ograniczona.
Scenariusz rozwoju rynku wskazuje, że w pierwszej kolejności technologia znajdzie zastosowanie w niszach, gdzie klasyczne panele krzemowe są niepraktyczne, np. w elastycznych powierzchniach budynków, dachach pojazdów czy elektronice użytkowej. W późniejszym czasie, wraz z poprawą trwałości i standaryzacji procesów, możliwe jest stopniowe wchodzenie na rynek masowy.
Eksperci przewidują, że pełna komercjalizacja może nastąpić w perspektywie lat 2028–2035. W międzyczasie technologie drukowane będą współistnieć z krzemem, a w rozwiązaniach tandemowych mogą nawet wyznaczać nowe rekordy sprawności.
FAQ
Czy drukowane ogniwa perowskitowe są już dostępne na rynku?
Obecnie istnieją jedynie prototypy i projekty pilotażowe. Technologia nie jest jeszcze dostępna w formie masowych produktów.
Jakie są największe wyzwania dla tej technologii?
Najważniejsze problemy to degradacja pod wpływem wilgoci i UV, migracja jonów w strukturze oraz brak długoterminowych testów trwałości.
Czy sprawność drukowanych ogniw dorównuje krzemowi?
Na poziomie pojedynczych ogniw laboratoryjnych – tak, jednak moduły wielkopowierzchniowe wciąż ustępują panelom krzemowym.
Kiedy można oczekiwać masowego wdrożenia?
Prawdopodobnie w latach 2028–2035, początkowo w niszowych zastosowaniach, a następnie w większych systemach PV.
