Efektywność konwersji energii słonecznej na energię elektryczną jest jednym z podstawowych parametrów ogniw fotowoltaicznych. Pierwsze wartości dla ogniw krzemowych rejestrowane były w początku lat 50-tych w związku z instalacją baterii w satelitach. Regularne publikacje osiągnięć dla wszystkich rodzajów ogniw fotowoltaicznych prezentowane są corocznie przez laboratorium NREL Amerykańskiego Departamentu Energii od 1976 r. [1]. Dane te przedstawione na Rys. 1, Rys. 2 obrazują dynamikę zmian efektywności konwersji energii dla poszczególnych rodzajów wytwarzanych źródeł fotowoltaicznych. Są to dane dotyczące prac laboratoryjnych. Niemniej obrazują w jakim miejscu sytuują się poszczególne technologie i jaka odległość dzieli je od fizycznych limitów efektywności konwersji. Pierwsze dane z 1976 r. to były wartości niewielkie. Dla krzemu amorficznego \( 1\% \), dla krzemu monokrystalicznego \( 14\% \), dla ogniw cienkowarstwowych CIGS \( 6\% \), a CdTe \( 9\% \). Jedynie ogniwa z GaAs wykazywały większą konwersję na poziomie \( 21\% \). Wzrost wydajności następował w wyniku ciągle prowadzonych prac badawczych zarówno w korporacjach, jak i jednostkach badawczych. Niektóre innowacje prowadziły do skokowych wzrostów wydajności ogniw. Należy zwrócić również uwagę na fakt, że część badań doprowadziła do wprowadzenia do fotowoltaiki całkowicie nowych konstrukcji, jak np. ogniwa wielozłączowe, czy nowych materiałów, a nawet całych klas materiałów, jak polimery czy perowskity. Trzy klasy materiałów zasługują na szczególną uwagę ze względu na wartości wydajności jakie osiągają ogniwa skonstruowane z użyciem tych materiałów albo też ze względu na znacząco większą dynamikę zmian w porównaniu do innych materiałów. Pierwszą kategorią są ogniwa wielozłączowe szczególnie budowane na bazie arsenku galu GaAs. Wprowadzanie ogniw dwu-, trzy-, a później czterozłączowych rozpoczęło się odpowiednio w drugiej połowie lat osiemdziesiątych, drugiej połowie lat dziewięćdziesiątych a ostatnich już w tym wieku po 2005 r. Ogniwa te już w początkowej fazie badań miały wysoką wydajność powyżej \( 28\% \). Intensywne prace nad ich rozwojem doprowadziły do tego, że w 2019 r. zakresy wydajności leżą w nieosiągalnym jak dotąd zakresie od ok. \( 30\% \) do \( 47,1\% \).

Rysunek 1: Wzrost wydajności ogniw dla wszystkich rodzajów w latach 1976-2019. Oprac. wykresu National Renewable Energy Laboratory (NREL), licencja CC0, źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Plik:Best_Research-Cell_Efficiencies.png#file.

Rysunek 2: Opis symboli użytych na wykresie wydajności. Oprac. na podst. wykresu National Renewable Energy Laboratory (NREL), licencja CC0, źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Plik:Best_Research-Cell_Efficiencies.png#file.

Drugą grupą materiałów są polimery. Ich podstawową zaletą jest niewątpliwie niska cena. Historia polimerów w fotowoltaice rozpoczęła się dopiero na początku naszego wieku, ale mimo tak krótkiego okresu już zdołały osiągnąć wydajności na poziomie \( 17\% \). Drugą klasą materiałów o jeszcze większej dynamice zmian są perowskity. Produkowane na bazie materiałów mineralnych w ciągu niecałej dekady ostatnie konstrukcje osiągnęły \( 21,5\% \), co zbliżyło je do teoretycznej granicy konwersji dla tych materiałów tj. ok. \( 31\% \). Niestety obie klasy materiałów nie posiadają cechy bardzo istotnej dla materiałów fotowoltaicznych tj. stabilności długoterminowej. Elektrownie fotowoltaiczne pracują po 25 lat i dłużej stąd praca nad poprawą tego parametru wydaje się kluczowa dla powszechnego zastosowania tych tanich i już wydajnych źródeł fotowoltaicznych. Równie dynamicznie rozwijają się konstrukcje z wykorzystaniem osiągnięć współczesnej fizyki tj. ogniwa fotowoltaiczne z kropek kwantowych. Są to ogniwa wymagające zaawansowanej technologii, niemniej w ciągu niecałych 10 lat od ich odkrycia osiągnęły już wydajność \( 16,6\% \). Bez tak spektakularnych wyników rozwijają się cienkowarstwowe ogniwa CIGS i CdTe niemniej osiągnęły już wydajności odpowiednio \( 23,4\% \) i \( 22,1\% \), co jeszcze niedawno było granicą dla ogniw krzemowych. Niewątpliwą zaletą tych ogniw jest minimalne zużycie materiału i możliwość ich nakładania na elastyczne podłoże, co znacznie poszerza ich możliwości instalacyjne. I na zakończenie ogniwa krzemowe. Startowały w latach pięćdziesiątych z wydajnością kilku procent w niszowych zastosowaniach, jak zasilanie satelitów, a obecnie stanowią główny materiał w większości budowanych na świecie elektrowni fotowoltaicznych z wydajnością osiągniętą w warunkach laboratoryjnych \( 27,6\% \). Obecnie mamy dwa obszary aktywności związane z materiałami na ogniwa fotowoltaiczne. Jeden to poszukiwanie materiałów, szczególnie dla półprzewodników wieloskładnikowych o dużych wydajnościach. Drugi to obszar związany z opracowaniem metod produkcji materiałów o uzyskanych wysokich wydajnościach na skalę przemysłową. Rosnąca wydajność ogniw i prawie milionkrotny wzrost produkcji spowodował około tysiąckrotny spadek ceny za 1 Wp od 1975 r. do dziś. Zmiany te przedstawiono na Rys. 3 (na podstawie danych z [2], [3]).

Tak znaczące obniżki cen sprzedaży spowodowały wzrost nakładów na badania tanich materiałów fotowoltaicznych jak perowskity i polimery. Skutkiem tego w ostatnich latach obserwujemy gwałtowny wzrost efektywności konwersji ( Rys. 1 ) uzyskiwany dla ogniw z tych materiałów.