Tematyka ogniw słonecznych jest rozbudowana i technicznie złożona. Od odkrycia efektu fotowoltaicznego powstało wiele technologii wytwarzania, a istniejące procesy produkcyjne są stale udoskonalane.

Ten artykuł przedstawia przegląd generacji ogniw słonecznych oraz wyjaśnia różnice między ogniwami typu P i typu N – z uwzględnieniem aktualnych trendów i zastosowań na rynku polskim.

Cztery generacje ogniw słonecznych

W literaturze naukowej technologie ogniw słonecznych dzieli się na cztery następujące po sobie generacje:

1. generacja: krystaliczne ogniwa krzemowe

Technologia	Maks. sprawność (laboratorium)	Dojrzałość rynkowa
Monokrystaliczne	26–27%	Ugruntowana
Polikrystaliczne	22–23%	Ugruntowana

• Najstarsza i najpowszechniej stosowana technologia
• Około 97% udziału w globalnej produkcji ogniw (2023)
• Sprawdzona technika o długiej żywotności

W Polsce zdecydowana większość modułów montowanych w mikroinstalacjach (program Mój Prąd, instalacje prosumenckie) to moduły monokrystaliczne, coraz częściej w technologii PERC, TOPCon lub HJT.

2. generacja: ogniwa cienkowarstwowe

Technologia	Maks. sprawność (laboratorium)	Szczególna cecha
Amorficzny krzem (a-Si)	13–14%	Elastyczne, tanie
Tellurek kadmu (CdTe)	22–23%	Niski koszt wytwarzania
CIGS	22–23%	Elastyczne, bardzo cienkie

• Znacznie cieńsze ogniwa (kilka mikrometrów)
• Mniejsze zużycie materiału
• Możliwość elastycznych i lekkich rozwiązań (np. na fasadach, dachach o małej nośności)

W Polsce ogniwa cienkowarstwowe stosuje się głównie w projektach specjalnych (BIPV – fotowoltaika zintegrowana z budynkiem, fasady, wiaty, lekkie dachy), natomiast w klasycznych instalacjach dachowych dominują moduły krystaliczne.

3. generacja: technologie wschodzące

Technologia	Maks. sprawność (laboratorium)	Status
Perowskitowe	25–26%	Faza badań i pilotaży
Organiczne (OPV)	18–19%	Faza badań
Ogniwa tandemowe	45%	Laboratorium

• Najwyższy potencjał sprawności
• Brak pełnej dojrzałości rynkowej
• Intensywne prace badawczo‑rozwojowe na świecie, także w Polsce (m.in. prace nad perowskitami)

4. generacja: technologie hybrydowe

Technologia	Maks. sprawność (laboratorium)	Szczególna cecha
Ogniwa z wykorzystaniem grafenu	~26%	Łączą różne mechanizmy konwersji

• Łączą zalety kilku generacji technologii
• Wciąż we wczesnej fazie rozwoju

Ogniwa typu P i typu N

Oprócz samej technologii wytwarzania ogniwa można klasyfikować według ich typu konstrukcyjnego:

Co oznaczają P i N?

Litery odnoszą się do domieszkowania materiału bazowego:

Typ	Domieszkowanie	Główny nośnik ładunku	Warstwa bazowa
P-typ	Domieszkowanie akceptorowe (np. borem)	„Dziury” (niedobór elektronów)	Grubsza warstwa typu P
N-typ	Domieszkowanie donorowe (np. fosforem)	Elektrony (nadmiar)	Grubsza warstwa typu N

Ogniwa typu P

Zalety:

• Dobrze opanowane procesy produkcyjne
• Niższy koszt wytwarzania
• Szeroka dostępność modułów na rynku

Wady:

• Degradacja indukowana światłem (LID)
• Niższa sprawność w porównaniu z N-typ
• Większa wrażliwość na temperaturę

Ogniwa typu N

Zalety:

• Wyższa sprawność
• Mniejsza degradacja w czasie eksploatacji
• Lepsze zachowanie przy słabym nasłonecznieniu
• Potencjalnie dłuższa żywotność

Wady:

• Bardziej złożona produkcja
• Wyższe koszty modułów
• Wciąż mniejszy udział w rynku, choć szybko rosnący

Sprawności w porównaniu

Technologia	Laboratorium	Komercyjnie dostępne	Trend
Monokrystaliczne (P-typ)	26%	20–22%	Stabilny
Monokrystaliczne (N-typ)	27%	22–24%	↑ Wzrost
Polikrystaliczne	23%	17–19%	↓ Spadek
PERC	24%	21–23%	Stabilny
TOPCon	26%	22–24%	↑ Silny wzrost
HIT/SHJ	27%	22–24%	↑ Wzrost
CdTe	22%	17–19%	Stabilny
CIGS	23%	15–18%	Stabilny
Perowskitowe	26%	-	Faza badań
Tandemowe	45%	-	Faza badań

W praktyce projektowej w Polsce, przy doborze modułów do mikroinstalacji prosumenckich, najczęściej porównuje się moduły monokrystaliczne PERC z nowszymi TOPCon/HJT, zwracając uwagę na sprawność, gwarancję mocy oraz parametry temperaturowe.

Jaka technologia do jakiego zastosowania?

Zastosowanie	Rekomendowana technologia	Uzasadnienie
Dach domu jednorodzinnego	Monokrystaliczne N-typ (TOPCon/HJT)	Maksymalny uzysk z ograniczonej powierzchni, dobre parametry temperaturowe
Duże farmy PV	Monokrystaliczne P-typ, CdTe	Wysoka opłacalność przy dużej skali, niższy koszt jednostkowy
Mikroinstalacja balkonowa	Monokrystaliczne P-typ (PERC)	Dobry stosunek ceny do mocy, szeroka dostępność w Polsce
Fasady / BIPV	Cienkowarstwowe, perowskitowe (pilotażowo)	Elastyczność, estetyka, integracja z architekturą
Zastosowania mobilne	Cienkowarstwowe, OPV	Niska masa, elastyczność, możliwość integracji z tkaninami i powierzchniami zakrzywionymi

W Polsce, przy projektowaniu budynków energooszczędnych i pasywnych, coraz częściej rozważa się BIPV jako element spełnienia wymagań udziału OZE w bilansie energetycznym budynku.

Rozwój rynku – kontekst polski

Sektor fotowoltaiki rozwija się bardzo dynamicznie również w Polsce:

• 2015 → 2024: moc zainstalowana PV w Polsce wzrosła wielokrotnie – z kilkudziesięciu MW do ponad 17 GW (głównie mikroinstalacje prosumenckie i farmy PV)
• Znaczący udział w tym wzroście miały programy wsparcia, takie jak „Mój Prąd”, „Czyste Powietrze” (w części dotyczącej PV) oraz aukcje OZE
• Udział energii słonecznej w krajowym miksie energetycznym systematycznie rośnie i jest istotnym elementem realizacji celów klimatycznych i wymogów UE

Trendy technologiczne

1. N-typ wypiera P-typ: technologie TOPCon i HJT/SHJ zdobywają coraz większy udział w ofercie producentów modułów dostępnych na rynku polskim.
2. Moduły bifacjalne: w dużych farmach PV coraz częściej stosuje się moduły dwustronne, wykorzystujące promieniowanie odbite od podłoża.
3. Większe wafle krzemowe: standardem stają się rozmiary 182 mm i 210 mm, co przekłada się na wyższą moc pojedynczego modułu.
4. Ogniwa tandemowe z perowskitami: w perspektywie kilku–kilkunastu lat oczekuje się istotnych wzrostów sprawności, co może wpłynąć na kolejną falę modernizacji instalacji.

Wymagania prawne i standardy w Polsce – kontekst dla PV

Choć same technologie ogniw są globalne, ich zastosowanie w budynkach w Polsce podlega lokalnym przepisom i normom.

Normy i obliczenia cieplne budynków

Przy projektowaniu budynków, w których planuje się instalacje PV (np. domów energooszczędnych), kluczowe są m.in.:

• Obliczanie obciążenia cieplnego budynku
  W Niemczech stosuje się DIN EN 12831. W Polsce odpowiednikiem jest norma PN-EN 12831 (części 1 i 3), wykorzystywana do obliczeń projektowego obciążenia cieplnego instalacji ogrzewczych.

• Obliczanie współczynników przenikania ciepła U
  Zamiast EN ISO 6946 w wersji DIN stosuje się w Polsce normę PN-EN ISO 6946:2017-10 (Komponenty budowlane i elementy budynku – Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła – Metoda obliczania).
  Współczynnik U przegród ma bezpośredni wpływ na zapotrzebowanie na energię, a więc i na optymalny dobór mocy instalacji PV.

• Standardy efektywności energetycznej budynków
  Wymagania określają m.in.:

  • Warunki Techniczne WT 2021 (rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie) – zawierają maksymalne wartości współczynników U dla przegród oraz wymagania dotyczące wskaźnika EP (zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną).
  • Dla nowych budynków jednorodzinnych obowiązują zaostrzone limity EP, co w praktyce często wymusza zastosowanie OZE, w tym fotowoltaiki.

Świadectwa charakterystyki energetycznej i etykiety

• Świadectwo charakterystyki energetycznej budynku
  W Polsce obowiązek sporządzenia świadectwa wynika z ustawy o charakterystyce energetycznej budynków.

  • Świadectwo jest wymagane m.in. przy sprzedaży i wynajmie budynku lub lokalu.
  • W obliczeniach można uwzględnić produkcję energii z instalacji PV, co poprawia wskaźniki energetyczne budynku.

• Etykiety energetyczne urządzeń
  Moduły PV jako takie nie posiadają etykiet energetycznych w systemie A–G, ale:

  • falowniki, pompy ciepła, urządzenia AGD i inne elementy systemu energetycznego budynku podlegają unijnym rozporządzeniom ekoprojektu i etykietowania energetycznego, obowiązującym również w Polsce;
  • przy projektowaniu systemów hybrydowych (PV + pompa ciepła) warto zwracać uwagę na klasy efektywności urządzeń, ponieważ wpływają one na końcowy bilans energetyczny budynku.

Programy wsparcia i dotacje w Polsce

W Niemczech często mówi się o wsparciu BAFA czy KfW. W Polsce funkcjonuje inny system programów i instytucji. Dla inwestycji w fotowoltaikę i efektywność energetyczną istotne są m.in.:

• „Mój Prąd”

  • Program ogólnopolski dla osób fizycznych – prosumentów.
  • W kolejnych edycjach dofinansowanie obejmowało nie tylko moduły PV, ale także magazyny energii, systemy zarządzania energią (HEMS/EMS) czy pompy ciepła.
  • Wysokość dotacji i szczegółowe warunki zmieniają się w poszczególnych edycjach, dlatego przed inwestycją należy sprawdzić aktualne zasady na stronie NFOŚiGW.

• „Czyste Powietrze”

  • Program skierowany głównie do właścicieli domów jednorodzinnych, nastawiony na wymianę źródeł ciepła i poprawę efektywności energetycznej (ocieplenie, stolarka, modernizacja instalacji).
  • Fotowoltaika może być dofinansowana jako element kompleksowej modernizacji, szczególnie w połączeniu z pompą ciepła.
  • Wysokość dotacji zależy od dochodów i zakresu przedsięwzięcia.

• Ulga termomodernizacyjna

  • Odliczenie od podstawy opodatkowania PIT wydatków na termomodernizację budynku jednorodzinnego, w tym na instalację PV, ocieplenie, wymianę stolarki, źródła ciepła itp.
  • Limit odliczenia wynosi 53 000 zł na podatnika (dla wszystkich przedsięwzięć łącznie).

• Regionalne programy i środki UE

  • W poszczególnych województwach funkcjonują programy w ramach funduszy europejskich (np. dla wspólnot mieszkaniowych, JST, przedsiębiorstw), które mogą obejmować instalacje PV, modernizacje energetyczne budynków i magazyny energii.
  • Warunki i poziom dofinansowania zależą od konkretnego programu regionalnego.

W praktyce, przy planowaniu instalacji PV na budynku w Polsce, warto łączyć różne formy wsparcia (np. „Mój Prąd” + ulga termomodernizacyjna), pamiętając o zasadach kumulacji pomocy.

Podsumowanie

Chcą Państwo zgłębić temat? → Krystaliczne ogniwa krzemowe – szczegółowe omówienie

Źródła

• Pastuszak, J.; Węgierek, P.: Photovoltaic Cell Generations and Current Research Directions. Materials 2022
• ITRPV: International Technology Roadmap for Photovoltaic
• Fraunhofer ISE: Photovoltaics Report