Za słoneczną rewolucję odpowiada 81 innowacji

Tylko w 2024 r. moc ogniw fotowoltaicznych na świecie wzrosła o 452 GW. Słońce zostawiło w pobitym polu pozostałe źródła energii, także inne odnawialne. Na każde pięć gigawatów podłączonych do sieci cztery miały swoje źródło w naszej gwieździe. Łącznie tych słonecznych mocy było na świecie pod koniec zeszłego roku 1860 GW. Ogniwa PV stanowią już około 20 proc. całego ziemskiego tortu elektroenergetycznego.

Porównajmy to z rokiem 2015, kiedy ich moc zamykała się w skromnych 227 GW. To i tak sporo, bo dekadę wcześniej nie przekraczała ona 5 GW. W skali globu popularność energetyki słonecznej wzrosła więc w przybliżeniu 400 razy w ciągu 20 lat. W Polsce jest podobnie: w 2015 r. moc ogniw PV wynosiła około 100 MW, a dziś przekracza 22 GW – to prawie jedna trzecia naszego obecnego potencjału elektroenergetycznego.

Od satelity po kryzys naftowy

Skąd ta globalna „erupcja słoneczna”? Kiedy w latach 50. XX w. w Bell Laboratory stworzono pierwsze działające ogniwo słoneczne, niewielu wróżyło mu przyszłość, chociaż idea była genialna (a samo zjawisko fotowoltaiczne odkrył ponad sto lat wcześniej francuski fizyk Edmond Becquerel).

Urządzenie zaprojektowane przez naukowców z Bella przetwarzało energię światła słonecznego w prąd z wydajnością około 6 proc. Nie wyglądało to zachęcająco, jednak wynalazkiem zainteresował się przemysł kosmiczny. W 1958 r. na orbitę poleciał satelita Vanguard 1 – pierwszy wyposażony w ogniwa słoneczne zasilające jego nadajnik radiowy i inne systemy elektryczne.

Sądzono, że na tym się skończy. Potem jednak przyszedł rok 1973 i kryzys naftowy, który wstrząsnął światem zachodnim. Podjęto wówczas szereg decyzji, których konsekwencje odczuwamy do dziś: po pierwsze, błyskawiczną karierę zaczął robić atom; po drugie, odkryto, że energię można, a nawet trzeba, oszczędzać; po trzecie, uruchomiono szczodrze finansowane, przynajmniej na początku, badania nad nowymi źródłami energii, w tym Słońcem.

W tym celu Amerykanie stworzyli specjalny ośrodek naukowy – dziś znany jako National Renewable Energy Laboratory (NREL). Był to przełomowy moment w rozwoju energetyki solarnej, chociaż upłynęły dekady wzlotów i upadków, często wynikających z decyzji politycznych (np. za prezydentury Ronalda Reagana niemal do zera ścięto finansowanie badań nad odnawialnymi źródłami energii).

Kluczowe okazało się zwiększenie wydajności krzemowych ogniw oraz lawinowy spadek ich cen. W efekcie koszt wyprodukowania jednej słonecznej kilowatogodziny, początkowo liczony w dziesiątkach dolarów, spadł w ostatnich latach do 4–5 centów. Najszybszy zjazd zaczął się pod koniec pierwszej dekady XXI w. – w ciągu dziesięciu lat energetyka słoneczna staniała dziesięciokrotnie.

Od badań fundamentalnych po ogniwa

Co o tym zdecydowało? W artykule w „PLOS One” grupa badaczy z Massachusetts Institute of Technology sporządziła listę 81 innowacji, które przyczyniły się do spektakularnego sukcesu energii słonecznej. Wiele z nich narodziło się w laboratoriach producentów ogniw PV, ale – ku zaskoczeniu naukowców – na powodzenie energetyki słonecznej zapracowały także badania prowadzone w wielu odległych od niej dziedzinach.

„Rozmaite odkrycia, wynalazki, usprawnienia i ulepszenia, których twórcy nie mieli nic wspólnego z fotowoltaiką, stopniowo znajdowały w niej zastosowanie. Suma tych wszystkich wdrożeń, z pozoru oderwanych od siebie, dała efekt synergii” – mówi Jessika Trancik, główna autorka publikacji.

Autorzy zwracają uwagę, że wiele kluczowych innowacji powstało poza branżą PV – m.in. w badaniach nad półprzewodnikami, metalami, szkłem, materiałami budowlanymi, a nawet nad technologiami pozyskiwania ropy i gazu. „Najpierw wybraliśmy kluczowe parametry decydujące o cenie modułu PV, np. jego sprawność, wydajność i żywotność. Następnie szukaliśmy innowacji, które miały największy wpływ na daną cechę. Gdy je zidentyfikowaliśmy, wykonaliśmy jeszcze jeden krok wstecz i zbadaliśmy, skąd się wzięły. Okazało się, że za wieloma z nich stoją odkrycia z nauk podstawowych” – relacjonuje Trancik.

Od analizy do wniosku ogólnego

Badaczka przyznaje, że zespół chciał kontynuować analizę i odsłaniać kolejne jej poziomy, jednak w pewnym momencie trzeba było powiedzieć „stop”. Model matematyczny, którym się posługiwali, przypomina piramidę: na jej czubku znajduje się osiągnięcie technologiczne (np. ogniwo PV), poniżej – warstwy wcześniejszych odkryć, które miały na nie wpływ.

Jednak od pewnego momentu taka analiza traci sens, bo na samym dole wszystko łączy się ze wszystkim i obraz staje się nieczytelny. „Zależało nam, aby wskazać konkretne innowacje, dzięki którym energetyka słoneczna tak wystrzeliła w ostatniej dekadzie. Ale z tych badań płynie też wniosek ogólny: każda udana technologia to w gruncie rzeczy wspólne dzieło wielu dyscyplin nauki” – podsumowuje Trancik.