Φωτοβολταϊκά Συστήματα βασισμένα στην τεχνολογία μελάνης πυριτίου

H λειτουργία των φωτοβολταϊκών κυττάρων βασίζεται στη μεταφορά ενέργειας από τα φωτόνια της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτουν στην επιφάνεια ενός ημιαγωγού, στους φορείς ηλεκτρικού φορτίου (ηλεκτρόνια και οπές) μέσα σε αυτόν. Το ημιαγώγιμο αυτό στρώμα χαρακτηρίζεται από δύο περιοχές, μία p-τύπου (πλούσια σε οπές) και μία n-τύπου (πλούσια σε ηλεκτρόνια), στη διεπιφάνεια των οποίων αναπτύσσεται ένα ηλεκτρικό πεδίο. Έτσι είναι δυνατός τελικά ο διαχωρισμός των φορέων βάσει του είδους του ηλεκτρικού φορτίου που φέρουν. Ως αποτέλεσμα έχουμε καταρχήν την εμφάνιση διαφοράς δυναμικού (τάσης) στα άκρα του συστήματος και στη συνέχεια την κυκλοφορία των φορτίων (ηλεκτρικό ρεύμα), όταν γίνει σύνδεση με εξωτερικό ηλεκτρικό κύκλωμα. Το τελευταίο επιτυγχάνεται με χρήση δύο ηλεκτροδίων μεταλλικού τύπου που μπορούν να προσαρμοστούν εξωτερικά.

Τα περισσότερα ηλιακά πάνελς του εμπορίου χρησιμοποιούν κρυστάλλους πυριτίου (Si), οι οποίοι όμως παραμένουν ακόμη ακριβοί στη σύνθεσή τους, με αποτέλεσμα η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια να είναι ασύμφορη οικονομικά ειδικά σε σύγκριση με την αντίστοιχη που παράγεται από τα ορυκτά καύσιμα. Συγκρίνοντας το ειδικό κόστος παραγωγής – ισχύος (σε Εuros/W), η ηλιακή ενέργεια είναι ακόμη 3-4 φορές ακριβότερη από την ενέργεια που παράγεται από τα ορυκτά καύσιμα με αποτέλεσμα τον περιορισμό της χρήσης τους σε εξειδικευμένες εφαρμογές, όπως π.χ. δορυφόρους και τηλεπικοινωνιακούς πύργους απομονωμένους από γραμμές ισχύος.

Σχετικά πρόσφατα, διάφοροι κατασκευαστές βρήκαν τρόπους να παράγουν πιο οικονομικά ηλιακά κύτταρα με χρήση νέων υλικών, όπως για παράδειγμα εξαιρετικά λεπτών στρώσεων (films) άμορφου πυριτίου ή οργανικών υλικών.

Το πρώτο μπορεί γρήγορα να διαστρωθεί σε λεπτά στρώματα (films) πάχους λίγων μικρομέτρων, μέχρι και 100 φορές λεπτότερα από τα στρώματα κρυστάλλων πυριτίου που χρησιμοποιούνται στα συμβατικά Φ/Β κύτταρα. Επειδή με τον τρόπο αυτό απαιτείται λιγότερο ημιαγώγιμο υλικό και έχουν τη δυνατότητα να παραχθούν μαζικά, μπορούν να είναι σημαντικά φθηνότερα. Εκτιμάται ότι στο μέλλον τα ηλιακά κύτταρα λεπτού στρώματος θα κοστίζουν 75-80% φθηνότερα από ότι τα σημερινά. Το χαμηλό κόστος και η εγγενής ευκαμψία αυτών των λεπτών ηλιακών κυττάρων σημαίνει ότι θα μπορούν εύκολα να εφαρμοσθούν ως επικαλύψεις σε πλειάδα υλικών. Βέβαια, παρά τις θετικές εκτιμήσεις, ίσως περάσουν τελικά δεκαετίες μέχρι τα λεπτά films να μετατρέψουν την τεχνολογία εκμετάλλευσης της ηλιακής ισχύος από περιθωριακή τεχνολογία παραγωγής ισχύος σε κύρια πηγή ενέργειας. Σύμφωνα με εκτιμήσεις της Αμερικάνικης βιομηχανίας ηλιακών κυττάρων, η σταθερή ανάπτυξη με τους σημερινούς εντυπωσιακούς ρυθμούς – διπλασιασμός της αγοράς κάθε 3 χρόνια – θα ανεβάσει το ποσοστό στο 10% της μέγιστης παραγωγής ενέργειας το 2030. Και αυτό που απαιτείται για την επιτάχυνση της διείσδυσης της ηλιακής ενέργειας στη συνολική παραγωγή ενέργειας είναι φθηνά Φ/Β υλικά.

Η μετάβαση σε λεπτά film πυριτίου δεν έχει φέρει ακόμη τη δραστική μείωση κόστους των ηλιακών κυττάρων που ακόμη αναζητείται, ώστε αυτά να ανταγωνιστούν την ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από άνθρακα, πετρέλαιο και φυσικό αέριο. Παρόλο τον τετραπλασιασμό των πωλήσεων τα τελευταία 5 χρόνια, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον ήλιο αντιστοιχεί μόνο στο 0.04% της παγκόσμιας παραγωγής ενέργειας. Αυτό το οποίο απαιτείται για την επιτάχυνση της διείσδυσης της ηλιακής ενέργειας στη συνολική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι ακόμα φθηνότερα υλικά.

Για το λόγο αυτό ένας ολοένα αυξανόμενος αριθμός εταιριών αναζητούν πλέον τη λύση και στη χρήση ημιαγώγιμων πολυμερών ή άλλων οργανικών υλικών (ολιγομερή, υβριδικά κλπ.). Φωτοβολταϊκά κύτταρα υλοποιημένα από αγώγιμα πολυμερή θα μπορούσαν να κάνουν την ηλιακή ενέργεια αξιοποιήσιμη σε πολύ ευρύτερες εφαρμογές λόγω της σημαντικά πιο απλής και οικονομικής διαδικασίας παραγωγής τους, η οποία επιπλέον επιτυγχάνει ακόμη λεπτότερες στρώσεις. Για παράδειγμα τα οργανικά υλικά μπορούν συνήθως εύκολα να διαλυθούν σε κάποιο διαλύτη, ώστε να δημιουργηθεί ένα Φ/Β “μελάνι”, το οποίο είναι δυνατό στη συνέχεια να ψεκαστεί σε λεπτά στρώματα επάνω σε πληθώρα επιφανειών, με χρήση εκτυπωτή ψεκασμού (ink-jet). Παρόμοια διαδικασία είναι ακόμη δυνατό να ακολουθηθεί και για τον ψεκασμό των, μεταλλικού-τύπου, ηλεκτροδίων. Σημαντικό όμως μειονέκτημα των οργανικών ηλιακών κυττάρων παραμένει η ευθραυστότητά τους. Επίσης, τα φωτοευαίσθητα οργανικά μόρια που αναπτύσσονται για Φ/Β εφαρμογές αποτυγχάνουν, όταν εκτεθούν σε οξυγόνο με αποτέλεσμα τη μειωμένη αξιοπιστία τους για μακρές χρονικές περιόδους.

Μια λύση σε αυτό το πρόβλημα της αξιοπιστίας δίνεται, προστατεύοντας τα οργανικά ηλιακά κύτταρα μέσα σε ένα πολυμερές, παρόμοιο του teflon, το οποίο είναι αδιαπέραστο από οποιοδήποτε στοιχείο, έτσι ώστε να αποτελεί μια ερμητική προστατευτική ‘θήκη’.

Αυτή τη στιγμή υπάρχουν πολλές δεκάδες εταιρειών που ασχολούνται με την παραγωγή, κατασκευή και τοποθέτηση Φ/Β συστημάτων. Ένα σημαντικό μέρος αυτών των εταιρειών εγκαταλείπουν την τεχνολογία των κρυστάλλων πυριτίου και στη θέση της αναπτύσσουν Φ/Β στοιχεία, χρησιμοποιώντας φθηνό άμορφο πυρίτιο η κράμματα ημιαγωγών, τα οποία μπορούν σχετικά εύκολα να διαστρωθούν σε λεπτά φιλμς.

πηγή: Βιοτεχνικό Επιμελητήριο Πειραιά