Cienkowarstwowe panele fotowoltaiczne

Ogniwa cienkowarstwowe często są nazywane ogniwami drugiej generacji. Panele cienkowarstwowe składają się właśnie z ogniw cienkowarstwowych. Nazwa wiąże się z bardzo niewielką grubością półprzewodników, która może wynosić zaledwie kilka mikronów – są na rynku panele, w których warstwy absorbujące światło są około 350 razy cieńsze niż w standardowych panelach krzemowych.

Panele cienkowarstwowe składają się z cienkich ogniw zbudowanych z np. krzemu amorficznego, czyli takiego, który nie jest wykrystalizowany, w związku z czym nie ma postaci kryształu. Najczęściej wykorzystuje się je w systemach fotowoltaicznych zintegrowanych z budownictwem (BIPV – ang. Building Integrated Photovoltaics), czyli np. specjalnych fasadach pozyskujących promieniowanie słoneczne i pozwalających na produkcję prądu. Sprawność paneli cienkowarstwowych waha się od 6 do 10%. 

Z czego wytwarzane są panele cienkowarstwowe

Jak wspomniano wyżej, panele cienkowarstwowe powstają w technologii opartej na krzemie amorficznym znanym np. z wyświetlaczy LCD i OLED. Oprócz krzemu amorficznego, do produkcji paneli cienkowarstwowych używa się:

• Tellurku kadmu (panele CdTe) – technologia ta obejmuje około 50% rynku paneli cienkowarstwowych. Tellurek kadmu zawiera znaczące ilości kadmu, który jest wysoko toksyczny. Produkcja tych modułów jest bardzo tania: szklana powierzchnia pokrywana jest warstwą dwutlenku cyny (na wierzchniej stronie, tam, gdzie jego warstwa styka się ze szkłem, optymizuje absorpcję fotonów, z drugiej strony warstwa ta działa jak elektroda – pochłania elektrony) z domieszką fluoru. Pod dwutlenkiem cyny znajduje się 100 nm warstwy emiterowej siarczku kadmu (CdS), pod nią natomiast aktywny tellurek kadmu (CdTe) o grubości 3 do 7 μm, którego funkcją jest absorpcja fotonów. Z tyłu ogniwa umieszcza się elektrodę kontaktową.
• Silikonu amorficznego (panele a-Si) – technologia ta jest najbardziej zbliżona do tej, w której powstają standardowe panele krzemowe. Krzem – w odróżnieniu od tellurku kadmu oraz opisanego poniżej połączenia  miedzi, indu, galu i selenu – nie jest toksyczny, jednak jest zdecydowanie mniej wydajny.
• Połączenia miedzi, indu, galu i selenu (panele CIGS – ang. Copper Indium Gallium Selenide) ich sprawność waha się w granicach 12-14%.  Produkcja przebiega następująco: na szklanej powierzchni kładzie się warstwę molibdenu, a następnie pozbawiony domieszek tlenek cynku. Następna jest warstwa siarczku kadmu (CdS) lub siarczku cynku (ZnS) o grubości 50 nmis, pod którą znajduje się absorbujący fotony stop di-selenku miedzi, indu oraz galu Cu (In,Ga)Se2. Warstwa spodnia modułu jest wykonana ze szkła.
• Arsenku galu (ogniwa GaAs) – o bardzo droga technologia stosowana przede wszystkim w statkach kosmicznych, przeznaczona do dużych instalacji fotowoltaicznych pracujących w nietypowych warunkach.

Zalety paneli cienkowarstwowych

Panele cienkowarstwowe są wyjątkowo lekkie i elastyczne oraz mogą przyjmować niemal dowolne kształty, stąd ich zakup poleca się osobom, którym bardzo zależy na estetyce fasady lub dachu. Co jeszcze przesądza o atrakcyjności paneli cienkowarstwowych?

• możliwość montażu bez zastosowania ramy wzmacniającej ani dodatkowych wzmocnień
• niski stopień wrażliwości na wysokie temperatury (spadek wydajności modułów amorficznych podczas upałów jest niewielki, mało odczuwalny)
• wysoka moc (uzyskiwana jest dzięki zmniejszeniu negatywnie wpływających odblasków poprzez technologię absorpcji promieni słonecznych)
• wysoka sprawność energetyczną także przy niskim nasłonecznieniu (6-10%) 
   

Wady paneli cienkowarstwowych

Wśród wad paneli cienkowarstwowych stosowanych w fotowoltaice należy wymienić:

• relatywnie wysoka cena w porównaniu do oferowanej efektywności
• długi czas stabilizacji wydajności (nawet pół roku)
• mniejsza ilość falowników do wyboru niż w przypadku ogniw typowych
• poza technologią wykorzystującą krzem amorficzny – toksyczność materiałów, z których są wykonane
• mniejsza niż w przypadku typowych paneli fotowoltaicznych żywotność (ok. 10 lat)
• słabsza wydajność w porównaniu do ogniw krystalicznych (monokrystalicznych i polikrystalicznych)
• wrażliwość na wysokie temperatury, co może prowadzić do szybszego spadku wydajności
• niższa tolerancja na zacienienie – cienkowarstwowe panele słabiej radzą sobie w sytuacjach częściowego zacienienia
• ograniczona ilość producentów i modeli paneli cienkowarstwowych na rynku
• większa powierzchnia potrzebna na instalację składającej się z paneli cienkowarstwowych o tej samej mocy, ze względu na niższą efektywność
• potencjalne trudności z utylizacją paneli, zwłaszcza tych zawierających toksyczne materiały, takie jak kadm czy tellur

Regulator MPPT do paneli cienkowarstwowych

Regulator ładowania to nieodłączny element wyposażenia każdej instalacji fotowoltaicznej (także tej wyposażonej w panele cienkowarstwowe), w której magazynujemy energię w akumulatorach fotowoltaicznych, czyli instalacji Off-Grid.  To urządzenie stosowane między baterią słoneczną a magazynami energii. Regulatory są używane, aby utrzymywać akumulator w pełni naładowany i nie dopuszczać do jego przeładowania, a także nadmiernego rozładowania przez odbiorniki.

Zabezpieczają także przed tzw. prądem “ciemnym” pobieranym przez panel słoneczny przy braku oświetlenia (jeżeli panel nie został wyposażony w diodę blokującą). Regulatory mogą się różnić napięciem, z jakim pracują oraz maksymalnym natężeniem prądu, jaki może przez nie płynąć. Typowy regulator pracuje z napięciem 12 lub 24V. Zaawansowane regulatory typu MPPT używają systemu śledzenia punktu maksymalnej mocy uzyskiwanej z panela, który automatycznie pozwala systemowi pracować przy napięciu, które daje maksymalną moc wyjściową. 

Podsumowanie

Panele cienkowarstwowe są rodzajem technologii solarnej, która używa cienkiej warstwy materiału fotowoltaicznego do przekształcania energii słonecznej w energię elektryczną. Chociaż mają niższą sprawność energetyczną w porównaniu z klasycznymi panelami krystalicznymi (5-13%), są bardziej elastyczne i mają kilka zalet, które sprawiają, że są one odpowiednie do zastosowań budowlanych. 

1. Lepsze działanie w słabym oświetleniu: Panele cienkowarstwowe lepiej radzą sobie w gorszych warunkach nasłonecznienia, takich jak pochmurne dni czy słoneczne poranki i wieczory. Oznacza to, że mogą generować energię przez dłuższy czas i być bardziej stabilne w swoim wydajności przez cały dzień.
2. Mniejsza degradacja mocy: Klasyczne panele słoneczne tracą swoją wydajność w miarę upływu czasu z powodu degradacji materiału spowodowanej wystawieniem na słońce i wysokie temperatury. Na szczęście panele cienkowarstwowe z technologią słoneczną są mniej wrażliwe na wysoką temperaturę i wykazują mniejszą degradację mocy w porównaniu z klasycznymi panelami krystalicznymi. 
3. Lekkość i elastyczność: Panele cienkowarstwowe są znacznie lżejsze i elastyczniejsze, co sprawia, że są one bardziej świadome i odpowiednie do projektów budynków. Dzięki mniejszej masie, łatwiej jest je zainstalować na różnych materiałach, takich jak dachy, okna czy elewacje ścian.
4. Estetyka: Panele cienkowarstwowe mogą być bardziej przystosowane do architektury, ponieważ są dostępne w różnych kształtach, kolorach i stylach. To pozwala na lepszą integrację z otaczającym otoczeniem budynku i spełnienie wymogów estetycznych. 
5. Koszt: Chociaż panele cienkowarstwowe mają niższą sprawność energetyczną, ich ceny są ustalone na bardziej konkurencyjnym poziomie, co sprawia, że są bardziej dostępne dla klientów. W rezultacie, panele cienkowarstwowe mogą być korzystniejsze dla zastosowań budowlanych ze względu na swoją elastyczność, mniejszą degradację mocy, łatwiejszą integrację z architekturą oraz konkurencyjną cenę.