1.1 Wstęp
Odnawialne źródła energii towarzyszą ludzkości od zawsze. Spalanie biomasy było źródłem ciepła. Energię wiatru wykorzystywano jako siłę napędową łodzi i tratew żaglowych, do transportu wody na wyżej lub dalej położone obszary rolnicze czy w końcu do produkcji mąki w wiatrakach o początkowo pionowej, a w miarę rozwoju techniki, poziomej osi. Analizując fizyczne podstawy fotowoltaiki należy uwzględnić fakt, że ten rodzaj produkcji energii ma źródło poza Ziemią. Szczęśliwie z punktu widzenia ludzkości Słońce posiada niewyczerpane zasoby energii. Ma natomiast jedna wadę, z którą należy się liczyć tj. dostarcza energię tylko do tej strony Ziemi, która akurat jest zwrócona w stronę Słońca. Fakt ten skutkuje możliwością produkcji energii elektrycznej tylko w okresie dziennym i to ze zmienną intensywnością zależną od pory dnia. Istnieje również zależność od położenia geograficznego elektrowni na kuli ziemskiej ze względu na różnice w nasłonecznieniu. Zjawisko fotowoltaiczne zostało odkryte w XIX wieku przez Alexandra Edmonda Becquerela (1839). Jednak realne zastosowanie znalazło dopiero po drugiej wojnie światowej wraz z dynamicznym rozwojem elektroniki i materiałów półprzewodnikowych (w początkowej fazie w zastosowaniach kosmicznych i militarnych). Szczególnie właśnie konkurencja i wyścig w przestrzeni kosmicznej popchnęła rozwój fotowoltaiki znacząco do przodu, jako że baterie słoneczne stanowiły lekkie (koszt transportu na orbitę) i niewyczerpywalne (stały dostęp do energii słonecznej) źródło energii elektrycznej do zasilania urządzeń satelitarnych. Pierwszy powojenny kryzys energetyczny z połowy lat siedemdziesiątych i Raport Klubu Rzymskiego o wyczerpywaniu się zasobów kopalnych na Ziemi skierował uwagę społeczeństw na problemy energetyki odnawialnej. Takie źródła jak hydroelektrownie, elektrownie wiatrowe czy w końcu elektrownie fotowoltaiczne stały się przedmiotem analiz inżynierów, konstruktorów i ekonomistów na całym świecie.
Hydroelektrownia to inwestycja trwająca dziesiątki lat (samo napełnianie zbiornika trwało np. w Colorado ponad 18 lat). Elektrownie wiatrowe o dużych mocach (pojedyncze wiatraki to moce od 2 do 10 MW) spotykają się z protestami ekologów ze względu na ich oddziaływanie na środowisko i wędrówki ptaków. Fotowoltaika jednak stanowi atrakcyjną alternatywę dla konwencjonalnych źródeł energii jak i wymienionych wyżej, ponieważ energia elektryczna uzyskiwana jest bezpośrednio z energii słonecznej, bez hałasu, zanieczyszczeń i innych czynników wywołujących niekorzystne zmiany środowiska. Prawie nieograniczone zapotrzebowanie na krzem monokrystaliczny przemysłu elektronicznego ograniczył rozwój fotowoltaiki w drugiej połowie XX wieku. Dopiero transfer wielu technologii do Chin, a szczególnie próżniowej technologii Czochralskiego do produkcji monokrystalicznego krzemu stał się początkiem lawinowego rozwoju fotowoltaiki w pierwszych dwóch dekadach XXI wieku. Każdy dynamiczny rozwój przyciąga uwagę badaczy i inżynierów. Tak też się stało i w przypadku fotowoltaiki. Szereg modyfikacji znacząco podniósł efektywność konwersji energii monokrystalicznych ogniw fotowoltaicznych. Opracowano metodę relatywnie taniej produkcji krzemu polikrystalicznego do wytwarzania ogniw fotowoltaicznych. Badania półprzewodników doprowadziły do zastosowania szeregu nowych materiałów półprzewodnikowych do produkcji ogniw fotowoltaicznych. Szczególnie perspektywiczna okazała się technologia cienkowarstwowa, w której zużycie materiału jest sto razy mniejsze niż w ogniwach krzemowych. A ostatnie 10 lat wprowadziło w obszar fotowoltaiki tanie materiały jak perowskity i polimery.
Ten dynamiczny rozwój instalacji fotowoltaicznych i badań w wielu przypadkach wyprzedza długotrwałe cykle edukacyjne. Stąd potrzeba publikacji, które stanowią źródło wiedzy i informacji dla coraz szerszego kręgu ludzi zaangażowanych w rozwój przemysłu fotowoltaicznego. Mam tu na myśli inżynierów materiałowych, energetyków aż do odbiorców końcowych energii elektrycznej. W tym miejscu należy oddać hołd Prof. Janowi Stopczykowi, który stworzył pojęcie i filozofię prosumenta tj. producenta i jednocześnie odbiorcy energii elektrycznej w mikroskali. Jednak ten wkład pomnożony przez miliony prosumentów staje się poważnym wkładem w systemie energetycznym państwa. Nikt nie ma najmniejszych wątpliwości, że po zużyciu paliw kopalnianych ludzkość nie ma taniej alternatywy dla odnawialnych źródeł energii w tym szczególnie dla fotowoltaiki. Gwałtowny wzrost produkcji i instalacji fotowoltaicznych doprowadził do drastycznego spadku cen za kWp pochodzącego ze źródeł fotowoltaicznych co stanowiło główna barierę rozwoju instalacji.
Książka, którą oddajemy czytelnikowi przeznaczona jest w głównej mierze dla studentów kształcących się na kierunkach związanych z odnawialnymi źródłami energii w tym fotowoltaiką, ale również dla wszystkich zainteresowanych wiedzą na temat fotowoltaiki, jej rozwoju i perspektyw. Nie stanowi natomiast materiału instruktażowego dla instalatorów systemów fotowoltaicznych jako, że tego typu materiały znajdują się już w obiegu księgarskim. Forma elektroniczna podręcznika została wybrana ze względu na zmianę sposobu docierania do studenta i czytelnika oraz możliwość dokonywania modyfikacji treści wynikających z dynamicznych zmian zachodzących w tej rozwijającej się dziedzinie techniki.
.
Jak dynamiczne zmiany mają miejsce na świecie w obszarze odnawialnych źródeł energii w tym fotowoltaiki można się przekonać obserwując zmiany dokonujące się w zwiększającym się stale udziale tych źródeł w produkcji energii. Porównanie krajów, w których obserwujemy w ostatniej dekadzie bardzo silne wzrosty zainstalowanych mocy fotowoltaicznych nie odzwierciedla położenia najlepiej nasłonecznionych obszarów globu. W obecnej sytuacji to raczej decyzje polityczne o metodach dofinansowania instalacji fotowoltaicznych czy zasobników energii stanowią podstawę dynamiki instalacyjnej. Drugim czynnikiem są poważne inwestycje w rozbudowę przemysłu fotowoltaicznego jak np. dominacja Chin w produkcji podłoży krzemowych. Porównując 2010 r., kiedy prawie cały słupek mocy zainstalowanych zajmowała Europa, do ostatnich danych z 2019 r. widać jak kolosalne zmiany dokonały się w tym zakresie ( Rys. 1 ) [1]. Wielkość instalacji w takich krajach jak Chiny, USA, Japonia, czy reszta świata przegoniły kraje Europy wielokrotnie. Mocom zainstalowanym daleko jeszcze do wartości pokazujących całe energetyczne zapotrzebowanie świata. Jednak dynamika zmian wskazuje na to, że wiele krajów rozumie niebezpieczeństwa płynące z emisji \( CO_{2} \) i rolę jaką odgrywają odnawialne źródła energii zarówno ze względu na uwarunkowania klimatyczne, jak i w światowym mikście energetycznym.