Fotowoltaika wczoraj i  dziś

Rozwój przemysłu fotowoltaicznego można podzielić na trzy etapy [14]. W  latach 1980-2000 na świecie testowano nowe materiały i  wdrażano technologie produkcji ogniw i modułów fotowoltaicznych w celu zoptymali-zowania sprawności konwersji energii słonecznej na elektryczną. Etap

obec-104 technologie helionergetyczne

ny, przypadający na lata 2000-2020, nazywany jest często przejściowym. Coraz więcej krajów w obawie przed problemami ekologicznymi, spowodo-wanymi wykorzystaniem paliw konwencjonalnych, powraca do paliw odna-wialnych. Niemal z każdym dniem ceny systemów fotowoltaicznych spada-ją, stając się łatwodostepnymi również dla odbiorców indywidualnych. Etap 3 rozpocznie się po 2020 r., kiedy to fotowoltaika stanowić będzie jedno z  głównych źródeł energii wykorzystywanej przez człowieka [23].

Fotoogniwa już od wielu lat z powodzeniem zastępują tradycyjne sieci zasilające. Takim przykładem mogą być panele słoneczne instalowane przy drogach. Koszt kilowatogodziny z  panelu słonecznego jest dość wysoki, jego atutami jest autonomiczność systemu i  brak konieczności układania całymi kilometrami kosztownych linii zasilających. Baterie fotowoltaiczne to znakomite źródło energii elektrycznej w  krajach o  dużym nasłonecznieniu. Na rysunku 9 przedstawiono zdjęcie kafejki internetowej w  Afryce, której komputery zasilane są właśnie fotoogniwami.

Rys. 9. Kafejka internetowa zasilana modułem fotowoltaicznym (fot. B. Iglinski, zdjęcie wykonane podczas 14 Konferencji Klimatycznej w Poznaniu) Kolejnym przykładem szerokiego stosowania techniki solarnej do wy-twarzania energii elektrycznej są fotoogniwa stosowane w  kalkulatorach i  zegarkach. Do tego celu używane są tanie małe ogniwa wykonane tech-nologią cienkowarstwowego napylania warstwy aktywnej.

Ogniwa fotowoltaiczne miały również istotny wpływ na rozwój kosmo-nautyki. Urządzenia pokładowe wszystkich pojazdów kosmicznych (sputni-ków, stacji orbitalnych, satelitów i  promów kosmicznych) są zaopatrywane w energię elektryczną z ogniw fotowoltaicznych. Na przykład, radziecka

sta- FotoWoltaika 105

cja orbitalna „Salut 6” była wyposażona w 3 baterie słoneczne o rozpięto-ści 17 m, łącznej powierzchni 60 m2 i mocy 4 kW. Z kolei amerykański sa-telita „Skylab” wystrzelony w 1974 r. wyniósł na orbitę moduł o masie 86 kg, składający się z  blisko 148 tys. ogniw słonecznych. O  tym, jak ważne jest znaczenie ogniw i ich prawidłowa praca w kosmosie mogła przekonać się załoga stacji orbitalnej „Mir”. W wyniku błędów manewrowania nastą-piła awaria ogniw, która spowodowała przerwy w systemach zasilania [24].

Rys. 10. Kalkulator na baterie słoneczne (fot. M. Plaskacz-Dziuba)

Obecnie największym sztucznym satelitą Ziemi jest Międzynarodowa Stacja Kosmiczna. Składa się ona z  15 modułów głównych (docelowo ma być ich 16). Integrated Truss Structure P6 to jeden z fragmentów potężnej konstrukcji żebrowej, której zasadniczym elementem są panele baterii sło-necznych oraz radiatory. Identycznymi jednostkami, instalowanymi w  róż-nych etapach budowy, są ITS S3/S4, ITS S6 oraz ITS P3/P4. Segment ITS P6, podobnie jak bliźniacze ITS P3/P4 oraz ITS S3/S4 i  ITS S6 waży 7.711 kg, wyposażony jest w  potężne blankiety baterii słonecznych, których długość jednego skrzydła panelu wynosi 31,5 m , natomiast długość rdzenia że-browego samego segmentu to 9 m. Jeden blankiet składa się z  84 pane-li, z czego 82 pokryte są fotoreceptorami. Każdy panel składa się z 200 ta-kich komórek, co daje razem liczbę 262.400 komórek w  ośmiu potężnych blankietach paneli. Panele baterii słonecznych mogą obracać się i  dostoso-wywać do położenia stacji względem Słońca, dostarczając stacji prądu

sta-106 technologie helionergetyczne

łego na poziomie 160 woltów. Dzięki rozbudowanemu systemowi zasila-nia, nawet przebywająca w danej chwili w cieniu stacja kosmiczna, nie jest narażona na utratę zasilania a nawet na jego wahania. Razem, wspomnia-ne cztery segmenty wytwarzać będą prąd elektryczny o  mocy 78 kilowa-tów. Panele mają dostarczać zasilanie przez okres 15 lat, ale przypuszczal-nie posłużą dłużej. Na system paneli składa się także mechanizm rotujący (tzw. SARJ), pozwalający ustawiać panele pod właściwym kątem względem Słońca, z  wydajnością 4° na minutę. Na wszystkich zintegrowanych struk-turach nośnych zainstalowane zostaną także systemy radiatorów, mających za zadanie chłodzić układy stacji [25].

Dalsze badania ogniw fotowoltaicznych prowadzi się w  2 strategicz-nych kierunkach: zmniejszenie kosztów produkcji i  zwiększenie sprawności ogniw. Obydwa kierunki poszukiwań bazują głównie na inżynierii materia-łowej, rozwijaniu nowych technologii produkcji krzemu (krystalicznego, po-likrystalicznego, amorficznego, cienkowarstwowego), o  coraz mniejszej ilo-ści domieszek i o coraz większej powierzchni poprzecznej kryształu oraz na opracowaniu technologii otrzymywania innych materiałów (arsenki, itp.), a  także na badaniu nowych domieszek (arsen, gal, cyna, niob i  inne).

6. Literatura

1. J. Misiewicz, K. Sierański, M. Kubisa, J. Szatkowski, Półprzewodniki i  struktury półprzewodnikowe, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2002.

2. I.J. Kampel, Półprzewodniki: teoria i  zastosowanie, PWN, Warszawa 1974. 3. A. Mandelis, P. Hess (eds.), Semiconductors and electronic materials, SPIE Press,

Bellingham 2000.

4. zasoby Wikimedia Commons.

5. Z.M. Jarzębski, Energia słoneczna. Konwersja fotowoltaiczna, PWN, Warszawa 1990.

6. J.I. Pankove, Optical processes in semiconductors, Prentice-Hall, New Jersey 1971. 7. T. Rodacki, A. Kandyba, Przetwarzanie energii w  elektrowniach słonecznych,

Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 2000.

8. P.E. Tomaszewski, Powrót. Rzecz o  Janie Czochralskim, Oficyna Wydawnicza ATUT, Wrocław 2012.

9. M.G. Voronkov, Silicon era, Russian Journal of Applied Chemistry (12)80, 2190--2196, 2007.

10. E. Mokrzycki (red.), Podstawy gospodarki surowcami energetycznymi, Uczelnia-ne Wydawnictwa Naukowo-DydaktyczUczelnia-ne, Kraków 2005.

11. G. Golubiewski, M. Duraczyński, Technologie wytwarzania ogniw fotowoltaicz-nych, GLOBEnergia 1, 2010.

12. S. Ahmed, D. Sigurd, Electrical properties of glow discharge a-Si:H thin films pre-pared with a RF plasma etch unit, Physica Status Solidi (a) 1(69), 305-314, 1982.

FotoWoltaika 107

13. T.D. Moustakas, Studies on thin-film growth of sputtered hydrogenated amor-phous silicon, Solar Energy Materials 1-3(8), 187-204, 1982.

14. T. Markvart, L. Castaňer, Solar cells. Materials, manufacture and operation, Else-vier, Amsterdam 2005.

15. A.L. Fahrenbruch, R.H. Bube, Fundamentals of solar cells, Academic Press, New York 1983.

16. A. Wolska, Badanie struktury elektronowej kryształów półprzewodnikowych z układu Cu-In-Se metodą absorpcji promieniowania rentgenowskiego, rozpra-wa doktorska, Warszarozpra-wa 2001.

17. M. Palewicz, A. Iwan, Polimerowe ogniwa słoneczne, Polimery 2(56), 99-107, 2011.

18. S. Günes, H. Neugebauer, N.S. Sariciftci, Conjugated polymer-based organic so-lar cells, Chemical Review 4(107), 1324-1338, 2007.

19. A. Hadipour, B. de Boer, P.W.M. Blom, Organic tandem and multi-junction so-lar cells, Advances Functional Materials 2(18), 169-181, 2008.

20. B. O’Regan, M. Grätzel, A low-cost, high efficiency solar cell based on dye-sen-sitized colloidal TiO2 film, Nature 353, 737-740, 1991.

21. K. Siuzdak, Synteza i  właściwości domieszkowanego niemetalami ditlenku ty-tanu jako materiału elektrodowego aktywnego w  świetle widzialnym, rozpra-wa doktorska, Gdańsk 2012.

22. A. Hagfeldt, G. Boschloo, L. Sun, L. Kloo, H. Pettersson, Dye-sensitized solar cells, Chemical Review 110, 6595-6663, 2010.

23. B.A. Werner, Model fizyczny cienkowarstwowych modułów fotowoltaicznych II-(III)-VI pracujących w  warunkach naturalnych, rozprawa doktorska, Wrocław 2010.

24. M. Miszczak, C. Waszkiewicz, Energia słońca, wiatru i  inne, Biblioteka Młode-go Technika, Wyd. Nasza Księgarnia, Warszawa 1988.

teChnOlOGIe helIOeneRGetyCZne