Podział ogniw fotowoltaicznych

W końcu chwila czasu by opisać klasyfikację ogniw fotowoltaicznych. Przy okazji wyjdzie dlaczego tak długo się do tego zabierałem.
Typy paneli fotowoltaicznych. - tu wymieniam ogniwa krzemowe, mono, polikrystaliczne oraz amorficzne.
Biorąc pod uwagę to co najczęściej znajdziemy w sklepach można by w tym miejscu skończyć. Ale wybór jest większy, a prawdopodobnie są jeszcze prowadzone badania nad rozwiązaniami o których nie mam pojęcia.
Ogniwa podzielić można ze względu na rodzaj wykorzystywanego materiału. Posłużę się zrzutem z rozprawy doktorskiej „Krzemowe warstwy funkcjonalne na ogniwie słonecznym” P. Boszkowicz (AGH, Kraków 2013).

Źródło:
 „Krzemowe warstwy funkcjonalne na ogniwie słonecznym” P. Boszkowicz (AGH, Kraków 2013)

Inny podział przedstawia Wikipedia.

"Rodzaje ogniw fotowoltaicznych

• selenowe

• krzemowe

• monokrystaliczne

• polikrystaliczne

• cienkowarstwowe (krzem bezpostaciowy)

• barwnikowe (w trakcie badań)

• polimerowe (III generacja, w trakcie badań)" 

W porównaniu z pierwszym podziałem „pojawiły się” ogniwa selenowe. W poprzednim jakieś kombinacje z selenem były w cienkowarstwowych.
Generalnie Wiki wypada słabo, chociaż z selenem ma też rację. Trzeba jednak wrócić do historii.
 - W. Adams i R. Day w 1876 r., zaobserwowali efekt fotowoltaiczny na granicy dwóch ciał stałych (użyli podobno selenu i platyny). Stąd pierwsze ogniwa selenowe ze sprawnością na poziomie 0,5%.
Na wielki plus dla Wiki wypada jednak ilustracja
Porównanie efektywności ogniw słonecznych wytwarzanych w różnych technologiach.

Źródło: 

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/35/Best_Research-Cell_Efficiencies.png

Jak już pisałem o rekordowej sprawności ogniw, mowa była o sprawności na poziomie ponad 40%. Typowe ogniwa krzemowe produkowane komercyjnie zbliżają się do 20% - choć rekordy są nieco wyższe. Jak widać tworzone są ogniwa o sprawności kilku – kilkunastu %. Dlaczego? Wszystko przez parametry w stosunku do ceny.
I w ten sposób wracamy do pojęć generacji.

Generacja I

Do pierwszej generacji zaliczane są najbardziej popularne ogniwa krzemowe. W niektórych zestawieniach włącznie z krzemem amorficznym.
Bezpieczniej jednak go tu nie dodawać.
Ogniwa z krzemu monokrystalicznego mają sprawność powyżej 20%, mają najdłuższą żywotność ale są produkowane sporym kosztem. Do produkcji najczęściej stosuje się proces opracowany przez naszego rodaka - pana Czochralskiego. Krzemowy pręt cięty jest na grubość 0,3 mm.
(Niby całkiem sporo, jednak uczestnicy szkoleń z 2014 i 2015 roku samodzielnie montujący panele mogą powiedzieć jakie to delikatne i kruche – przy okazji pozdrawiam :-) .)
Ogniwa polikrystaliczne – produkowane są taniej, cięte na płytki o grubości poniżej 0,2mm, po czym są jeszcze szlifowane. Są tańsze ale maja niższą sprawność.
SKORO jest DROGO – to wymyślono:

• Rezygnację z krzemu krystalicznego na rzecz wydajniejszych przewodników.
• Obniżenie kosztów.
• Przyśpieszenie produkcji.
• I około 100 razy cieńsze warstwy.

I stąd mamy generację nr 2 (nie mam aktualnych statystyk, ale generacja I składa się na około 80% całości).

Generacja II

Ze względu na małą grubość warstwy, do tej grupy powinny trafić krzemowe ogniwa amorficzne. Ogniwa tego typu mają warstwy w granicach 1-3 mimrometry. Używane są pierwiastki takie jak tellurku kadmu (CdTe), mieszaniny miedzi, indu, galu, selenu (CIGS). Są tańsze w produkcji, którą łatwiej też zautomatyzować. Mają oczywiście mniejszą sprawność. CdTe – jest toksyczny – choć problem dotyczy głównie dopiero utylizacji paneli. Wspaniałe wyniki ma zastosowanie arseneku galu (GaAs) – sprawność w granicach 35%. Ale ze względu na drogie technologie w zasadzie w praktyce nie jest stosowany poza prototypami.
I chociaż to nowe (stosunkowo) technologie to szukając oszczędności:

• Rezygnuje się z przewodników używanych do tej pory, drogich komponentów.
• Stawia się na szybki i zautomatyzowany proces produkcji.

I tak dochodzimy do generacji nr 3.

Generacja III

No i tu zaczyna się problem bo do III generacji zaliczane są technologie o różnym stopniu zaawansowania.  Najczęściej mówi się o ogniwach DSSC (lub DSC – ogniwa barwnikowe - Dye-sensitised) oraz organicznych z wykorzystaniem polimerow. Główna wada to sprawność na poziomie kilku procent (choć rekordy przekraczają już 10%). Dodatkową zaletą może być przejrzystość, możliwość nadruku, dowolny kształt (jak prezentowane kiedyś fotowoltaiczne liście).
Aktualnie prowadzone są prace nad:

• ogniwami ze światłoczułymi barwnikami (Dye-sensitised)
• ogniwami z organicznymi polimerami (Organic Polymer)
• organiczne ogniska tandemowe
• ogniwa perowskitowe
• ogniwa z tzw. kropkami kwantowymi

Do tego mogą być tworzone ogniwa wielo warstwowe i koncentratorowe (czasami w połączeniu (z kropkami kwantowymi lub organiczne tandemowe).
O koncentratorowych zdarzyło mi się już pisać (to te o rekordzie powyżej 40%), a ogniwa perowskitowe, nie wymagają chyba reklamy.
Pomijam zabójczą nazwę (zawdzięczają ją rosyjskiemu geologowi Lwu Perowskiemu), ogniwa te to odmienne podejście do fotowoltaiki. Och sprawność rośnie, ale zamiast kilku marnych paneli na dachu – ogniwami mogą być np. wszystkie dachówki.
Mam nadzieję, iż jasno tłumacząc udało mi się dostatecznie namieszać :-).

I mam nadzieję, iż tłumaczy artykuł Czekadełko - nowe doniesienia - Perowskity można łatwo uzyskać przez... ucieranie

Pewnie tłumaczy to dlaczego w źródłach OZE o generacjach mówi się ogólnie, podkreślając ilościowe wykorzystanie ogniw krzemowych a pozostałe wymieniając jako technologie o mniejszym (na razie) znaczeniu.