Φωτοβολταϊκά νέας γενιάς: Τι πρέπει να γνωρίζει ο ηλεκτρολόγος

Οι φωτοβολταϊκές τεχνολογίες εξελίσσονται συνεχώς συμβάλλοντας στην προώθηση των συστημάτων ηλιακής ενέργειας και καθιστώντας απαραίτητη για κάθε ηλεκτρολόγο τη γνώση των νέων υλικών, τεχνικών και εφαρμογών που αναμένεται να διαμορφώσουν το ενεργειακό μέλλον.

Άρθρο του κ. Ηλία Σταθάτου*

Για την κάλυψη των μελλοντικών ενεργειακών αναγκών, με παράλληλη μείωση της εξάρτησης από τα ορυκτά καύσιμα, έχει καταβληθεί παγκοσμίως μια συντονισμένη προσπάθεια, με προώθηση βιώσιμων και καθαρών ενεργειακών πόρων όπως είναι η ηλιακή ενέργεια, η οποία είναι άφθονη, καθαρή και θεωρείται σημαντική για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Τα ηλιακά στοιχεία, που συχνά ονομάζονται «φωτοβολταϊκά στοιχεία», χρησιμοποιούν το φωτοβολταϊκό φαινόμενο για να μετατρέψουν τη φωτεινή ενέργεια σε ηλεκτρική και θεωρούνται μία από τις σημαντικότερες φιλικές προς το περιβάλλον πηγές ενέργειας, μαζί με την υδροηλεκτρική και την αιολική / παλιρροιακή ενέργεια.

Οι φωτοβολταϊκές τεχνολογίες εξελίσσονται συνεχώς τις τελευταίες δύο δεκαετίες για να βελτιώσουν την απόδοση μετατροπής της ηλιακής σε ηλεκτρική ενέργεια.

Κατηγοριοποίηση ηλιακών στοιχείων

Τα ηλιακά στοιχεία μπορούν να χωριστούν σε διαφορετικές κατηγορίες ως προς το χρονοδιάγραμμα ανάπτυξής τους, καθώς και ως προς τα υλικά που χρησιμοποιούν. Μια ευρεία κατηγοριοποίηση έχει ως εξής:

• Πρώτης γενιάς ηλιακά στοιχεία, τα οποία είναι τύπου πυριτίου (Si) και είναι τα πιο αποδοτικά, αν και η απόδοσή τους μειώνεται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία.
• Δεύτερης γενιάς, τα οποία είναι τύπου λεπτών υμενίων (Thin films), είναι φθηνότερα από αυτά του πυριτίου και είναι ήδη εμπορικά διαθέσιμα.
• Τρίτης γενιάς, τα οποία είναι φωτοβολταϊκές τεχνολογίες που στηρίζονται σε χημικά διαλύματα για την παρασκευή ημιαγωγών και συνήθως είναι πολύ πιο οικονομικά από αυτά των προηγούμενων γενεών που χρησιμοποιούν ακριβές τεχνικές κατασκευής, όπως είναι η χημική ή φυσική εναπόθεση ατμών (CVD/PVD).

Τα ηλιακά κύτταρα τρίτης γενιάς είναι ικανά για υψηλή απόδοση μετατροπής ισχύος, διατηρώντας παράλληλα χαμηλό κόστος παραγωγής. Η εφαρμογή τους με τεχνολογίες λεπτών υμενίων θα μπορούσε να έχει τεράστιο οικονομικό αντίκτυπο, καθιστώντας την ηλιακή ενέργεια μια από τις πιο προσιτές και φθηνότερες επιλογές για μελλοντική παραγωγή ενέργειας.

Οι τεχνολογίες λεπτών υμενίων έχουν το σημαντικό πλεονέκτημα της επιλεκτικής συλλογής φωτός σε μία ευρεία περιοχή του ορατού ή ακόμη και του υπερύθρου φωτός, επηρεάζοντας ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά τους όπως είναι το ενεργειακό χάσμα (χαρακτηριστικό που σχετίζεται με την απορρόφηση του φωτός). Μάλιστα ακολουθείται χημική μέθοδος παρασκευής που δίνει αυτή την ευελιξία.

Αυτή η καινοτομία θεωρείται πιθανός παράγοντας αλλαγής των όρων στις φωτοβολταϊκές τεχνολογίες, καθώς θα επιτύγχανε όχι μόνο βελτιωμένη απόδοση συσκευών αλλά και χαμηλότερο κόστος κατασκευής και παρατεταμένη διάρκεια ζωής των στοιχείων.

Ως αποτέλεσμα, τα ηλιακά κύτταρα τρίτης γενιάς –όπως τα ηλιακά στοιχεία που είναι ευαισθητοποιημένα με χρωστικές ουσίες (Dye-Sensitized Solar Cell [DSSC]) ή με κβαντικές τελείες (Quantum Dot Solar Cell [QDSC]), καθώς και τα ηλιακά στοιχεία περοβσκίτη (perovskite [PSC])– διερευνώνται ευρέως και αναπτύσσονται ραγδαία.

Εκτός από αυτές τις τεχνολογίες, τα ηλιακά στοιχεία τρίτης γενιάς περιλαμβάνουν επίσης τα αμιγώς οργανικά φωτοβολταϊκά (Organic Photovoltaics [OPV]). Τα παραδοσιακά ηλιακά κύτταρα με βάση το πυρίτιο πέτυχαν υψηλές αποδόσεις με υψηλό κόστος, γεγονός που οδήγησε στην εισαγωγή τεχνολογιών τρίτης γενιάς (ή, όπως αναφέρονται συχνά, αναδυόμενων τεχνολογιών), με ευέλικτες τεχνικές κατασκευής, χαμηλό βάρος, χαμηλό κόστος και εξαιρετική απόδοση.

Τα οργανικά ηλιακά στοιχεία δεν έχουν ακόμη ευρέως κυκλοφορήσει στην αγορά, λόγω της έλλειψης σταθερότητάς τους, και οι ερευνητές καταβάλλουν προσπάθειες για να αυξήσουν την απόδοση και τη σταθερότητα αυτών μέσω αρχιτεκτονικών διαδοχικών ηλιακών κυττάρων (tandem cells).

Ο ήλιος αποτελεί μια απεριόριστη πηγή ενέργειας, αλλά τα ηλιακά κύτταρα πρέπει να κατασκευάζονται με το βέλτιστο για τις εφαρμογές αυτές ενεργειακό χάσμα, ώστε να μεγιστοποιηθεί η συλλογή ενέργειας από το ηλιακό φως.

Επισκόπηση τεχνολογιών τρίτης γενιάς

Παρόλο που οι τεχνολογίες τρίτης γενιάς είναι πολλά υποσχόμενες, πρέπει να ξεπεράσουν ορισμένους σημαντικούς περιορισμούς προκειμένου να γίνει εφικτή η μαζική τους παραγωγή. Η εμπορική εφαρμογή αυτών των ηλιακών κυψελών τρίτης γενιάς περιορίζεται από: τη σταθερότητα απόδοσης υπό διαφορετικές θερμοκρασίες λειτουργίας, το σχεδιασμό μονάδων, τη διαδικασία επεξεργασίας και τη χρήση τοξικών υλικών, όπως στην περίπτωση των φωτοβολταϊκών από περοβσκίτη που περιέχουν μόλυβδο.

Τα PSC έχουν υψηλές αποδόσεις σε σύγκριση με τα άλλα ηλιακά στοιχεία τρίτης γενιάς, αλλά περιορίζονται από την αστάθεια του στρώματος περοβσκίτη υπό συνθήκες υψηλής υγρασίας, κάτι που μειώνει τη διάρκεια ζωής τους και περιορίζει τη χρήση τους για εξωτερικές εφαρμογές.

Τα QDSC έχουν χαμηλές αποδόσεις και χαρακτηρίζονται από αστάθειες που σχετίζονται με τα διάφορα τμήματα του στοιχείου, όπως είναι ο ηλεκτρολύτης και τα δύο ηλεκτρόδια. Τα φωτοενεργά στρώματα των συσκευών OPV υποβάλλονται σε επεξεργασία από αλογονωμένους διαλύτες, όπως είναι το διχλωροβενζόλιο και το χλωροβενζόλιο.

Σε περίπτωση απελευθέρωσής τους στον αέρα, αυτοί οι αλογονωμένοι διαλύτες προκαλούν σημαντική βλάβη στο περιβάλλον, ενώ επικίνδυνη είναι επίσης η εξάτμισή τους κατά την κατασκευή του στοιχείου. Επομένως, είναι απαραίτητο να αντικατασταθούν αυτοί οι επιβλαβείς αλογονωμένοι διαλύτες από φιλικές προς το περιβάλλον εναλλακτικές λύσεις.

Τα Tandem Cells

Τα συμπληρωματικά ηλιακά στοιχεία (Tandem Cells) είναι ένας τύπος φωτοβολταϊκής τεχνολογίας που έχει σχεδιαστεί για να ξεπερνά τα όρια απόδοσης των ηλιακών στοιχείων μονής επαφής, στοιβάζοντας πολλαπλά στρώματα, καθένα από τα οποία είναι βελτιστοποιημένο για να απορροφά διαφορετικά μέρη του ηλιακού φάσματος.

Αυτή η προσέγγιση πολλαπλών στρωμάτων επιτρέπει την πιο αποτελεσματική χρήση του ηλιακού φωτός, οδηγώντας ενδεχομένως σε υψηλότερες αποδόσεις μετατροπής ισχύος. Η πιο διαδεδομένη αλλά ταυτόχρονα και η πιο ελπιδοφόρα διάταξη συμπληρωματικών στοιχείων είναι αυτή μεταξύ των συμβατικών φωτοβολταϊκών μονοκρυσταλλικού πυριτίου και περοβσκίτη τα οποία έχουν δώσει αποδόσεις σήμερα πάνω από 32%.

Είναι σημαντικό να αναφερθεί ότι αυτές οι τεχνολογίες, ανεξάρτητα η μια από την άλλη, θα πρέπει να δίνουν παρόμοιες αποδόσεις και ηλεκτρικά ρεύματα ώστε να δρουν αθροιστικά.

Αυτή η αρχιτεκτονική πολλαπλών συνδέσεων απαιτεί ακριβή αντιστοίχιση ρεύματος μεταξύ των υποστοιχείων, η οποία παρουσιάζει σημαντικές προκλήσεις σχεδιασμού και κατασκευής. Οι καινοτομίες υλικών περιλαμβάνουν συνδυασμούς πυριτίου, περοβσκίτη ή ενώσεων της ομάδας III-V για τη βελτιστοποίηση της φασματικής απορρόφησης και τη βελτίωση της απόδοσης. Ωστόσο, αυτά τα υλικά συχνά διαφέρουν ως προς τη δομή πλέγματος και τη θερμική διαστολή, περιπλέκοντας την ενσωμάτωση.

Επιπλέον, η αύξηση της διάστασης των συμπληρωματικών στοιχείων περιορίζεται από την ανάγκη για υψηλής ποιότητας διεπαφές και οικονομικά αποδοτικές τεχνικές εναπόθεσης, ειδικά για τα tandem περοβσκίτη – πυριτίου. Ενώ αυτά επιτυγχάνουν ρεκόρ απόδοσης σε εργαστηριακό περιβάλλον, τα ζητήματα πολυπλοκότητας, κόστους και μακροπρόθεσμης σταθερότητας εμποδίζουν επί του παρόντος την ευρεία εμπορική τους ανάπτυξη.

Ο πίνακας 1 προσφέρει μια ολοκληρωμένη σύγκριση μεταξύ πέντε βασικών τύπων ηλιακών κυψελών: PSC, OPV, QDSC, DSSC και Tandem. Κάθε τεχνολογία αξιολογείται με βάση παραμέτρους όπως είναι ο τύπος του υλικού, η απόδοση, το κόστος, ο κύκλος ζωής, η ευελιξία και οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις.

Πίνακας 1.

Προοπτικές & προκλήσεις

Τα PSC αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία με υψηλές αποδόσεις μονής σύνδεσης (>25%) και ακόμη υψηλότερες τιμές (>30%) σε διαμορφώσεις tandem. Τα κύρια πλεονεκτήματά τους έγκεινται στα ρυθμιζόμενα ενεργειακά χάσματα, στους υψηλούς συντελεστές απορρόφησης και στο χαμηλό έως μέτριο κόστος, αν και εξακολουθούν να υπάρχουν ανησυχίες σχετικά με την τοξικότητα του μολύβδου και την ευαισθησία στην υγρασία.

Η διάρκεια ζωής τους ποικίλλει σημαντικά, ανάλογα με τη σταθερότητα του υλικού, και κυμαίνεται επί του παρόντος μεταξύ 5 έως 20 έτη. Τα OPV διακρίνονται από χαμηλή πολυπλοκότητα κατασκευής, υψηλή ευελιξία και εξαιρετική προσαρμογή χρώματος, όντας ιδανικά για φορητές συσκευές και εσωτερικές εγκαταστάσεις.

Ωστόσο, η αποδοτικότητά τους (7-10%) και οι ρυθμοί υποβάθμισης εξακολουθούν να αποτελούν περιοριστικούς παράγοντες και η λειτουργική τους διάρκεια ζωής γενικά περιορίζεται σε λιγότερο από 10 έτη. Τα QDSC αξιοποιούν την ικανότητα ρύθμισης κβαντικών τελειών και την παραγωγή πολλαπλών διεγέρσεων, προσφέροντας πολύ υψηλή απορρόφηση φωτός.

Ωστόσο, η πραγματική τους απόδοση είναι μέτρια, και η τοξικότητα από βαρέα μέταλλα όπως είναι ο μόλυβδος ή το κάδμιο εμποδίζει την εμπορική διάθεση. Η σταθερότητά τους αποτελεί επίσης μια πρόκληση, με τα περισσότερα στοιχεία να διαρκούν λιγότερο από πέντε χρόνια.

Τα DSSC, αν και πρωτοπόροι στις αναδυόμενες φωτοβολταϊκές τεχνολογίες, τώρα παρουσιάζουν μέτρια απόδοση. Έχουν καλή ευελιξία, χαμηλό κόστος παραγωγής και αισθητική ικανότητα ρύθμισης, αλλά η απόδοση (περίπου 12%) και η υποβάθμιση που σχετίζεται με τους ηλεκτρολύτες αποτελούν σημαντικά μειονεκτήματα. Η εφαρμογή τους είναι περισσότερο κατάλληλη για χρήσεις χαμηλής ισχύος και για φωτοβολταϊκά ενσωματωμένα σε κτίρια.

Τα tandem περοβσκίτη – πυριτίου, αντιπροσωπεύουν τις υψηλότερες αποδόσεις (>30%), συνδυάζοντας τα φασματικά οφέλη των πολλαπλών απορροφητών, αλλά τα μειονεκτήματά τους είναι αξιοσημείωτα: πολύπλοκη κατασκευή, υψηλό κόστος και απαιτητική σταθερότητα, ειδικά για παραλλαγές tandem με περοβσκίτη.

Ωστόσο, τα tandem με βάση το πυρίτιο έχουν μεγαλύτερη μακροζωία (έως 30 χρόνια) και είναι πιο κοντά στην εμπορική ωριμότητα μεταξύ των προηγμένων τεχνολογιών. Ενώ τα PSC και τα Tandem πρωτοπορούν σε απόδοση και επεκτασιμότητα, τα OPV και τα DSSC υπερέχουν σε ευελιξία και αισθητική (εικόνα 1).

Εικόνα 1. ΦΒ πάνελ από περοβσκίτη (αριστερά) και χρωστικών ουσιών (δεξιά).

Συνολικά, η μελλοντική έρευνα θα πρέπει να επικεντρωθεί στη βελτίωση της απόδοσης, στη μείωση της τοξικότητας και στην ανάπτυξη τυποποιημένων δοκιμών για να καταστεί δυνατή η αξιόπιστη ανάπτυξη σε ποικίλες εφαρμογές. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται στα ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη είναι γενικά άφθονα, αν και η χρήση μολύβδου αποτελεί ανησυχία λόγω περιβαλλοντικών ζητημάτων. Στα OPV, τα οργανικά υλικά που χρησιμοποιούνται είναι ευρέως διαθέσιμα και μπορούν να συντεθούν εύκολα, καθιστώντας τα σχετικά φθηνά.

Επίλογος

Συμπερασματικά, η συνεχής εξέλιξη των τεχνολογιών ηλιακής φωτοβολταϊκής ενέργειας, που παράγεται τόσο από συμβατικά όσο και από αναδυόμενα υλικά απορρόφησης φωτός, συμβάλλει σημαντικά στην προώθηση των συστημάτων ηλιακής ενέργειας.

Παραδοσιακά υλικά όπως το πυρίτιο, το CdTe και το CdS έχουν βασικό ρόλο για την τρέχουσα παραγωγή ηλιακής ενέργειας. Ωστόσο, οι περιορισμοί στην απόδοση, στο κόστος και στη βιωσιμότητα των υλικών έχουν ωθήσει στην ανεύρεση εναλλακτικών υλικών και προηγμένων διαμορφώσεων.

Η εμφάνιση των PSC, μαζί με τα OPV, τα QDSSC, τα DSSC και τα tandem ηλιακά στοιχεία, σηματοδοτεί μια αλλαγή στη βιομηχανία ηλιακής ενέργειας. Αυτά τα συστήματα επόμενης γενιάς, με τις ποικίλες χημικές τους συνθέσεις, τις μοναδικές αρχιτεκτονικές και το υψηλό δυναμικό βελτίωσης της απόδοσης, αναβαθμίζουν την απόδοση, την ευελιξία και την οικονομική αποδοτικότητα. Επιπλέον, οι εξελίξεις στην τεχνολογία ηλιακών πάνελ, όπως η ανάπτυξη διφασικών πάνελ και ηλιακών παραθύρων, υπογραμμίζουν την αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας με πολλαπλές μεθόδους, βελτιστοποιώντας την παραγωγή ενέργειας.

Παρά τις ευοίωνες προοπτικές τους, αυτά τα προηγμένα υλικά και οι τεχνολογίες εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν προκλήσεις που σχετίζονται με τη μακροπρόθεσμη σταθερότητα, τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις και την ευρείας κλίμακας εφαρμογή τους. Η συνεχής έρευνα και ανάπτυξη στην επιστήμη των υλικών, στις τεχνικές κατασκευής και στις αρχιτεκτονικές συσκευών είναι απαραίτητη για την υπέρβαση αυτών των εμποδίων και για την πλήρη αξιοποίηση των δυνατοτήτων των αναδυόμενων φωτοβολταϊκών τεχνολογιών. Καθώς η παγκόσμια ζήτηση για βιώσιμες ενεργειακές λύσεις αυξάνεται, η ενσωμάτωση τόσο συμβατικών όσο και καινοτόμων υλικών στα ηλιακά φωτοβολταϊκά συστήματα επόμενης γενιάς είναι κρίσιμη για την επίτευξη ενός καθαρότερου, πιο αποδοτικού και οικονομικά προσιτού ενεργειακού μέλλοντος.

*Ο κ. Ηλίας Σταθάτος είναι καθηγητής του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Η/Υ στο Πανεπιστήμιο Πελοποννήσου (estathatos@uop.gr).