Większość paneli słonecznych pokrywających obecnie dachy, pola i pustynie świata ma ten sam składnik: krystaliczny krzem. Materiał wykonany z surowego polikrzemu jest formowany w płytki i podłączany do ogniw słonecznych, urządzeń przekształcających światło słoneczne w energię elektryczną. Ostatnio zależność branży od tej wyjątkowej technologii stała się pewnym problemem. Wąskie gardła w łańcuchu dostawzwalniająnowych instalacji fotowoltaicznych na całym świecie. Główni dostawcy polikrzemu w chińskim regionie Xinjiang —oskarżony o wykorzystywanie pracy przymusowej Ujgurów— stoją w obliczu amerykańskich sankcji handlowych.
Na szczęście krystaliczny krzem nie jest jedynym materiałem, który może pomóc w wykorzystaniu energii słonecznej. W Stanach Zjednoczonych naukowcy i producenci pracują nad rozszerzeniem produkcji technologii słonecznej z tellurku kadmu. Tellurek kadmu jest rodzajem „cienograficznego” ogniwa słonecznego i, jak sama nazwa wskazuje, jest znacznie cieńszy niż tradycyjne ogniwo krzemowe. Obecnie panele wykorzystują tellurek kadmudostarczają około 40 procamerykańskiego rynku energii słonecznej i około 5 procent światowego rynku energii słonecznej. Mogą także skorzystać na przeciwnościach losu, przed którymi stoi szerzej rozumiany przemysł fotowoltaiczny.
„To bardzo niestabilny czas, zwłaszcza dla ogólnie łańcucha dostaw krzemu krystalicznego” – powiedział Kelsey Goss, analityk ds. badań nad energią słoneczną w grupie konsultingowej Wood Mackenzie. „Producenci tellurku kadmu mają ogromny potencjał do zdobycia większego udziału w rynku w nadchodzącym roku”. Szczególnie, zauważyła, ponieważ sektor tellurku kadmu już się rozwija.
W czerwcu producent energii słonecznej First Solar zapowiedział, że takzainwestuje 680 milionów dolaróww trzeciej fabryce baterii słonecznych z tellurku kadmu w północno-zachodnim Ohio. Po ukończeniu obiektu, w 2025 r., firma będzie w stanie wyprodukować na tym obszarze panele słoneczne o mocy 6 gigawatów. To wystarczy, aby zasilić około 1 milion amerykańskich domów. Inna firma zajmująca się energią słoneczną z siedzibą w Ohio, Toledo Solar, niedawno weszła na rynek i produkuje panele z tellurku kadmu do dachów budynków mieszkalnych. W czerwcu Departament Energii Stanów Zjednoczonych i jego Krajowe Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL)uruchomił program o wartości 20 milionów dolarówprzyspieszenie badań i rozwój łańcucha dostaw tellurku kadmu. Jednym z celów programu jest pomoc w odizolowaniu amerykańskiego rynku energii słonecznej od globalnych ograniczeń dostaw.
Naukowcy z NREL i First Solar, wcześniej zwanej Solar Cell Inc., współpracowali od początku lat 90.Technologia tellurku kadmu. Kadm i tellurek są produktami ubocznymi odpowiednio wytapiania rud cynku i rafinacji miedzi. Podczas gdy płytki krzemowe są łączone ze sobą w celu wytworzenia ogniw, kadm i tellurek nakłada się cienką warstwą – około jednej dziesiątej średnicy ludzkiego włosa – na taflę szkła wraz z innymi materiałami przewodzącymi prąd. First Solar, obecnie największy na świecie producent cienkich folii, dostarczył panele do instalacji fotowoltaicznych w 45 krajach.
Technologia ta ma pewne zalety w porównaniu z krzemem krystalicznym, stwierdziła Lorelle Mansfield, naukowiec z NREL. Na przykład proces cienkowarstwowy wymaga mniej materiałów niż metoda oparta na płytkach. Technologia cienkowarstwowa doskonale nadaje się również do stosowania w elastycznych panelach, takich jak te, które zakrywają plecaki lub drony lub są zintegrowane z fasadami budynków i oknami. Co ważne, panele cienkowarstwowe radzą sobie lepiej w wysokich temperaturach, podczas gdy panele krzemowe mogą się przegrzać i stać się mniej wydajne w wytwarzaniu energii elektrycznej – dodała.
Jednak krzem krystaliczny ma przewagę w innych obszarach, takich jak średnia wydajność – czyli procent światła słonecznego, które panele pochłaniają i przekształcają w energię elektryczną. Historycznie rzecz biorąc, panele krzemowe charakteryzowały się wyższą wydajnością niż technologia tellurku kadmu, chociaż różnica się zmniejsza. Dzisiejsze panele krzemowe produkowane przemysłowo mogą osiągać wydajność18 do 22 proc, natomiast firma First Solar odnotowała średnią wydajność swoich najnowszych paneli komercyjnych na poziomie 18 procent.
Jednak główny powód, dla którego krzem zdominował rynek światowy, jest stosunkowo prosty. „Wszystko sprowadza się do kosztów” – powiedział Goss. „Rynek energii słonecznej jest w dużym stopniu napędzany najtańszą technologią”.
Krzem krystaliczny kosztuje około 0,24–0,25 dolara za wytworzenie każdego wata energii słonecznej, czyli mniej niż w przypadku innych konkurentów – dodała. Firma First Solar oświadczyła, że nie podaje już kosztów produkcji paneli z tellurku kadmu w przeliczeniu na wat, stwierdziła jedynie, że koszty „znacznie spadły” od 2015 r., kiedy to firmazgłoszone koszty na poziomie 0,46 dolara za wat– i z roku na rok nadal spada. Istnieje kilka powodów względnej taniości krzemu. Surowiec polikrzem, który jest również stosowany w komputerach i smartfonach, jest szerzej dostępny i tańszy niż dostawy kadmu i tellurku. W miarę powiększania się fabryk produkujących panele krzemowe i powiązane komponenty, całkowite koszty produkcji i instalacji tej technologii spadły. Chiński rząd również mocno to zrobiłwspierane i dotowanekrajowego sektora krzemowej energii słonecznej – i to tyleokoło 80 procentświatowego łańcucha dostaw energii słonecznej przebiega obecnie przez Chiny.
Spadające koszty paneli napędzają światowy boom fotowoltaiczny. W ciągu ostatniej dekady całkowita zainstalowana moc fotowoltaiczna na świecie wzrosła prawie dziesięciokrotnie, z około 74 000 megawatów w 2011 r. do prawie 714 000 megawatów w 2020 r.,wedługMiędzynarodowa Agencja Energii Odnawialnej. Stany Zjednoczone odpowiadają za około jedną siódmą całkowitej produkcji energii na świecie, a obecnie jest to energia słonecznajedno z największych źródełnowej mocy zainstalowanej w USA każdego roku.
Oczekuje się, że koszt na wat tellurku kadmu i innych technologii cienkowarstwowych będzie się podobnie zmniejszał wraz ze wzrostem produkcji. (Pierwszy Solar mówiże po otwarciu nowego zakładu w Ohio firma zapewni najniższy koszt w przeliczeniu na wat na całym rynku energii słonecznej.) Jednak koszt nie jest jedynym miernikiem, który ma znaczenie, jak jasno pokazują obecne problemy w branży związane z łańcuchem dostaw i problemami pracowniczymi.
Mark Widmar, dyrektor generalny First Solar, powiedział, że planowana przez firmę ekspansja o wartości 680 milionów dolarów stanowi część większego wysiłku mającego na celu zbudowanie samowystarczalnego łańcucha dostaw i „oddzielenie” amerykańskiego przemysłu fotowoltaicznego od Chin. Chociaż w panelach z tellurku kadmu nie wykorzystuje się polikrzemu, firma First Solar dostrzegła inne wyzwania stojące przed branżą, takie jak zaległości w branży żeglugi morskiej spowodowane pandemią. W kwietniu spółka First Solar poinformowała inwestorów, że zatory w amerykańskich portach wstrzymują dostawy paneli z jej zakładów w Azji. Zwiększenie produkcji w USA umożliwi firmie wykorzystywanie dróg i kolei do transportu paneli, a nie statków towarowych, powiedział Widmar. Istniejący program recyklingu paneli słonecznych firmy pozwala na wielokrotne ponowne wykorzystanie materiałów, co jeszcze bardziej zmniejsza jej zależność od zagranicznych łańcuchów dostaw i surowców.
W miarę jak firma First Solar produkuje panele, naukowcy zarówno z firmy, jak i z NREL w dalszym ciągu testują i udoskonalają technologię tellurku kadmu. W 2019 roku partnerzyopracowało nowe podejściepolega to na „domieszkowaniu” cienkowarstwowych materiałów miedzią i chlorem w celu uzyskania jeszcze wyższej wydajności. Na początku tego miesiąca NRELogłosił wynikiz 25-letnich testów terenowych prowadzonych w placówce zewnętrznej w Golden w stanie Kolorado. 12-panelowy układ paneli z tellurku kadmu działał z 88 procentami pierwotnej wydajności, co stanowi dobry wynik jak na panel, który stał na zewnątrz przez ponad dwie dekady. Jak wynika z komunikatu NREL, degradacja „jest zgodna z działaniem układów krzemowych”.
Mansfield, naukowiec z NREL, powiedział, że celem nie jest zastąpienie krzemu krystalicznego tellurkiem kadmu ani uznanie jednej technologii za lepszą od drugiej. „Myślę, że na rynku jest miejsce dla nich wszystkich i każdy z nich ma swoje zastosowanie” – powiedziała. „Chcemy, aby cała energia pochodziła ze źródeł odnawialnych, dlatego naprawdę potrzebujemy wszystkich różnych rodzajów technologii, aby sprostać temu wyzwaniu”.
Czas publikacji: 17 września 2021 r