Sektor energii odnawialnej, a szczególnie słonecznej bardzo szybko się rozwija. W 2023 r. globalne roczne inwestycje w energię słoneczną po raz pierwszy wyprzedziły wszystkie inne technologie wytwarzania energii, w tym globalne inwestycje w ropę naftową. Wzrost utrzymał się w 2024 r., a IEA przewiduje, że do końca roku sektor ten otrzyma największą część globalnego finansowania. Podczas gdy fotowoltaika krzemowa (PV) nadal dominuje na rynku, powstające technologie przyczyniają się do ewolucji sektora. Wśród nich jest fotowoltaika cienkowarstwowa, która przez długi czas miała trudności z konkurowaniem na taką samą skalę jak fotowoltaika krzemowa. Czy wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na energię, ambitnymi celami dekarbonizacji i rosnącymi obawami o bezpieczeństwo energetyczne, cienkowarstwowe ogniwa fotowoltaiczne mogą się stać popularniejsze?

Najnowszy raport IDTechEx „Rynek fotowoltaiki cienkowarstwowej 2025-2035: Technologie, technologie, gracze i trendy” obejmuje cały rynek cienkowarstwowych ogniw fotowoltaicznych. Porównuje uznane i powstające cienkowarstwowe technologie, w tym ogniwa słoneczne uczulane barwnikiem (DSSC), organiczne ogniwa słoneczne (OPV), perowskity PV, tellurek kadmu (CdTe), selenek miedziowo-indowo-galowy (CIGS), arsenek galu (GaAs), amorficzny krzem (a-Si) i fotowoltaikę siarczku miedziowo-cynkowego (CZTS).  Bierze pod uwagę 40 kluczowych graczy rynkowych i nakreśla cały sektor cienkowarstwowej fotowoltaiki. Poprzez krytyczną analizę obszarów zastosowań, w tym farm słonecznych, dachów mieszkalnych, fotowoltaiki zintegrowanej z budynkami, agrivoltaiki i elektroniki bezprzewodowej, pomaga sformułować szczegółowe 10-letnie prognozy dla całego rynku energii słonecznej. IDTechEx prognozuje, że wartość rynku cienkowarstwowych ogniw fotowoltaicznych przekroczy 11 mld USD do 2035 roku.

Cienkowarstwowe ogniwa słoneczne są podklasą ogniw słonecznych, wytwarzanych poprzez osadzanie jednej lub więcej cienkich warstw materiału fotowoltaicznego na podłożu, takim jak szkło, plastik lub metal. Poza elektrodami, każda warstwa funkcjonalna w cienkowarstwowym ogniwie słonecznym ma zazwyczaj grubość od 5 do 500 nm, co pozwala na uzyskanie niezwykle cienkiego urządzenia do wytwarzania energii, o grubości od kilku nm do kilku mikronów. Cienkowarstwowe moduły fotowoltaiczne są zatem bardzo lekkie i mogą być elastyczne (w zależności od wyboru podłoża), co oznacza, że mogą być instalowane w zastosowaniach o niskiej masie, a także na zakrzywionych powierzchniach.

Udział cienkowarstwowych modułów fotowoltaicznych w rynku pozostawał na niskim poziomie, zmniejszając się do około 2,5% wszystkich instalacji fotowoltaicznych w 2024 roku. Technologie te wypadały gorzej w konkurencji z fotowoltaiką krzemową, ze względu na ich niższe wskaźniki wydajności, obawy dotyczące surowców i koszty produkcji. Jednak zmiana w krajobrazie technologicznym, wraz z poszerzeniem zakresu zastosowań, prawdopodobnie spowoduje znaczące zmiany na całym rynku cienkowarstwowym w ciągu następnej dekady.

Nowe zastosowania przyczyniają się do rozwoju rynku

Cienkowarstwowa fotowoltaika może być wykorzystywana w tradycyjnych zastosowaniach solarnych, a także w zastosowaniach, w których krzemowa technologia solarna nie jest odpowiednia. Zastosowania te obejmują fotowoltaikę zintegrowaną z budynkiem (BIPV), w której panele są przymocowane do boków budynków i są włączone do istniejącej infrastruktury. Moduły cienkowarstwowe mogą być nawet o 90% lżejsze niż moduły krzemowe, a zatem bardzo dobrze nadają się do pionowej integracji z budynkami, ponieważ nie są wymagane żadne znaczące modyfikacje strukturalne. Biorąc pod uwagę odpowiednio większą powierzchnię dostępnej przestrzeni pionowej w porównaniu z powierzchnią dachu, zastosowanie to może znacząco przyczynić się do inicjatyw w zakresie energii odnawialnej. Niektóre rodzaje cienkowarstwowych ogniw fotowoltaicznych można również dostosować pod względem przezroczystości, dzięki czemu są one mniej estetyczne i idealnie nadają się do okien.

Inne pojawiające się zastosowania należą do sektora małej elektroniki z własnym zasilaniem i Internetu rzeczy (IoT), który ma znacznie wzrosnąć w nadchodzących latach, ponieważ inteligentna elektronika staje się coraz bardziej powszechna w życiu codziennym. Ta mała elektronika zazwyczaj opiera się na bateriach, które wymagają wymiany co kilka lat, co wiąże się z wysokimi kosztami materiałów i robocizny. Zasilanie tych urządzeń za pomocą małych, tanich modułów fotowoltaicznych o dłuższej żywotności niż baterie jest bardzo obiecującym zastosowaniem.

Perowskity napędzają rynek cienkowarstwowych ogniw fotowoltaicznych

Perowskitowe ogniwa fotowoltaiczne spotkały się ze znacznym zainteresowaniem ze strony środowiska akademickiego i przemysłu, ze względu na swoją lekkość i elastyczność, wysoką skalowalność produkcji i znacznie niższe koszty w porównaniu z uznanymi technologiami solarnymi. Perowskitowe ogniwa słoneczne zawierają aktywną warstwę perowskitu, która może być osadzana jako cienka warstwa przy użyciu opartych na roztworze procesów kompatybilnych z arkuszami lub rolkami, co czyni je bardzo atrakcyjnymi z finansowego punktu widzenia, ponieważ przetwarzanie jest łatwe do skalowania i zautomatyzowane. Oprócz tego, wykorzystanie stosunkowo obfitych i niedrogich surowców do syntezy perowskitów oznacza, według IDTechEx, tańszą technologię niż inne cienkowarstwowe technologie solarne, a także krzem.

Perowskity produkowane przez firmę Saule Techniologies z Wrocławia. Fot. Saule Technologies

Oprócz produkcji perowskitowych ogniw słonecznych z pojedynczym złączem, technologia ta jest również badana pod kątem jej zastosowania w architekturze tandemowych ogniw słonecznych. Wszystkie technologie pojedynczego złącza, w tym uznane technologie krzemowe i cienkowarstwowe, zbliżają się do plateau wydajności. Maksymalny teoretyczny limit wydajności wynosi bowiem 30% dla urządzenia z pojedynczym złączem. Naukowcy badają integrację perowskitów z innymi technologiami solarnymi w celu osiągnięcia znacznie wyższej konwersji energii. Te wielozłączowe ogniwa mają większy teoretyczny limit sprawności, wynoszący około 43%. Technologie, które cieszą się dużym zainteresowaniem komercyjnym, to perowskitowo-krzemowe, całkowicie perowskitowe i tandemowe perowskitowo-CIGS, przy czym każde urządzenie ma indywidualne zalety technologiczne.

Fotowoltaika perowskitowa weszła we wczesną fazę komercjalizacji, a wielu graczy z branży reklamuje tę technologię jako „następną ważną technologię generacji energii słonecznej”. Znaczące możliwości w zakresie innowacji, rosnące zainteresowanie komercyjne i wynikający z tego przewidywany wzrost rynku perowskitowej fotowoltaiki jest istotnym czynnikiem pomagającym ożywić cienkowarstwowe ogniwa słoneczne. Według aktualnych prognoz IDTechEx, do 2035 roku perowskitowe ogniwa fotowoltaiczne będą stanowić ponad 40% wszystkich cienkowarstwowych instalacji solarnych.

Źródło: IDTechEx