Kako funkcionišu solarni paneli?

Solarna energija postala je jedan od ključnih stubova globalne tranzicije ka čistijoj ekonomiji. Globalna instalirana snaga fotonaponskih (PV) sistema prešla je 2,2 TW krajem 2024. godine, a PV je u 2024. pokrivao preko 10 % potrošnje električne energije u svetu.

Kina je instalirala gotovo 1 TW ukupne snage i činila oko 60 % novih instalacija u 2024. godini. U Evropi se 2024. godine dodalo oko 71,4 GW, sa Nemačkom (16,7 GW) i Španijom (7,5 GW) kao liderima.

Ovaj rast prate pad cene modula (pad od 50 % tokom 2023. zbog prekomerne ponude) i sve veća efikasnost ćelija i modula.

Da bismo razumeli zašto su solarni paneli postali tako važni, potrebno je objasniti kako oni proizvode električnu energiju, koje vrste tehnologija postoje, koliko koštaju, kakav je uticaj na životnu sredinu i koje su perspektive za budućnost.

Fizika fotonaponskog (PV) efekta

Poluprovodnici, p‑n spoj i „fotonsko napajanje“

Solarni paneli se sastoje od mnoštva fotonaponskih ćelija (PV ćelija). Osnova svake PV ćelije je poluprovodnički materijal poput silicijuma. Poluprovodnici se „dopuju“ – u kristalnu rešetku silicijuma uvode se atomi nečistoća kako bi se stvorile dve zone: p‑tip silicijuma (bogat „rupama“ – pozitivnim nosačima, npr. dodavanjem bora) i n‑tip (bogat elektronima, npr. dodavanjem fosfora).

Na granici ovih slojeva formira se p‑n spoj.

Elektroni i „rupe“ difunduju kroz granicu sve dok se ne uspostavi ravnoteža; nastaje zona osiromašenja sa ugrađenim električnim poljem i naponom od oko 0,6-0,7 V.

To polje omogućava da elektroni mogu da idu samo u jednom smeru.

Kada fotoni iz sunčevog zračenja pogode PV ćeliju, oni mogu biti odbijeni, propušteni ili apsorbovani. Ako foton ima dovoljnu energiju (veću od pojasne zabranjene energije materijala), on izbija elektron iz valenčnog pojasa u provodni pojas, ostavljajući prazno mesto – rupu. U silicijumu je pojasna zabranjena energija oko 1,11 eV.

Električno polje p‑n spoja razdvaja izbijeni par elektron-rupa: elektron se kreće ka n‑sloju, a rupa ka p‑sloju. Vodljivi kontakti na vrhu i dnu ćelije skupljaju elektrone i omogućavaju im da kroz spoljašnji kružni tok obavljaju rad pre nego što se vrate na suprotnu stranu, stvarajući jednosmernu (DC) struju.

Što je „pojasna zabranjena energija“?

Pojasna zabranjena energija (engl. band gap) je razlika u energiji između valenčnog i provodnog pojasa poluprovodnika.

Ako je prevelika, fotoni sa energijom ispod te vrednosti prolaze neiskorišćeni; ako je premala, fotoni sa viškom energije gube deo energije kao toplotu.

Kombinovanje različitih materijala u tandem ćelije (npr. silicijum + perovskit) može prebaciti ovaj limit, jer svaka podćelija apsorbuje drugi deo spektra.

Napon i struja

Jedna PV ćelija proizvodi oko 1-2 W snage i otprilike 0,5-0,7 V napona. Da bi se dobila upotrebljiva snaga, ćelije se povezuju u modul (panel), a moduli u stringove i stringovi u nizove (array). Struja je proporcionalna intenzitetu sunčevog zračenja i veličini ćelije; napon zavisi od broja serijski povezanih ćelija.

Vrste fotonaponskih ćelija

• Monokristalni (jednokristalni) silicijum (c‑Si) – Rezani iz jednog kristala silicijuma. Imaju najvišu komercijalnu efikasnost; savremeni moduli postižu 20-24 % i preuzimaju većinu tržišta. Rekord laboratorijske ćelije od 27,8 % postignut je 2023. godine.
• Polikristalni (multikristalni) silicijum – Jeftiniji zbog manje zahtevne proizvodnje, ali nešto niže efikasnosti (~20 %). Nekada dominirali tržištem, sada ih potiskuju monokristalni moduli.
• Tanki film – Koriste materijale poput kadmijum‑telurida (CdTe) ili bakar‑indijum‑galijum‑selenida (CIGS). Fleksibilni su i troše manje materijala, ali imaju niže efikasnosti (oko 10-18 % u komercijalnim modulima).
• PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) – Popularna poboljšanja klasične c‑Si ćelije: na zadnju stranu se nanosi dielektrični sloj i pasivacijski sloj koji smanjuju rekombinaciju nosilaca i reflektuju neapsorbovanu svetlost nazad u ćeliju. Time se poboljšava iskorišćenje svetlosti i postiže efikasnost ~20 %. PERC je 2023. imao oko 60 % tržišnog učešća.
• TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact) – Još efikasnija tehnologija n‑tip silicijuma gde se formira tanak oksidni tunel koji omogućava bolje odvlačenje nosilaca. Očekuje se da će TOPCon dominirati novim instalacijama oko 2024-2025.
• HJT (Heterojunction) – Kombinuje amorfni silicijum i monokristalni silicijum. Labaratorijske ćelije postižu efikasnost oko 26,7 %, ali su skuplje.
• Perovskitne i tandem ćelije – Perovskiti (organsko‑neorganske hybridne strukture) nude visoku apsorpciju pri nižoj debljini. Tandem perovskit-silicijum ćelije prelaze 30 % efikasnosti: 2025. godine CEA i 3Sun postigli su 30,8 % efikasnosti na ćeliji od 9 cm². Fraunhofer ISE drži rekord od 31,6 % na 1 cm² ćeliji (2024), a cilj industrije je prelazak 30 % na komercijalnim modulima.
• III‑V spojevi – Prema istraživanjima  materijali poput GaAs i InGaP koriste se za višespojne ćelije s koncentracijom sunčeve svetlosti; laboratorijske efikasnosti prelaze 47 %, ali su veoma skupi i primenjuju se u svemirskim aplikacijama.

Globalno tržište i statistika

Zapošljavanje je još jedan jasan indikator rasta: solarna industrija zapošljava 7,1 milion ljudi i najbrže je rastući deo obnovljive energetike. Kina sama zapošljava 4,6 miliona radnika u ovom sektoru, čime potvrđuje svoju apsolutnu dominaciju u proizvodnji i instalacijama.

U Srbiji je tokom 2024. godine instalirano između 200 i 300 MW novih solarnih kapaciteta, čime je ukupna snaga fotonaponskih elektrana prešla oko 700 MW i prvi put ušla u fazu ubrzanog rasta.

Troškovi, ekonomske koristi i isplativost

Cene solarnih sistema opadaju zbog ekonomije obima, tehnološkog napretka i konkurencije.

Povrat investicije zavisi od lokalne cene električne energije, količine sunčevog zračenja i podsticaja; u većini zemalja EU period otplate za rezidencijalne sisteme iznosi 5-7 godina. U Srbiji period otplate kreće se oko 6-10 godina, u zavisnosti od tarifa i subvencija.

Ekološki uticaji

Energetski i karbonski povraćaj

Moderni PV sistemi imaju izuzetno povoljne parametre održivosti. Analiza NREL‑a pokazuje da su energetski povraćaj (EPBT) za savremene utiliti‑scale PV sisteme između 0,5 i 1,2 godine.

To znači da panel za manje od jedne godine proizvede energiju koju je trebalo za njegovu proizvodnju, transport i instalaciju.

Karbonski povraćaj (vreme da emisije iz proizvodnje panela budu neutralisane proizvodnjom zelene energije) iznosi 0,8-20 godina, s tipičnom vrednošću oko 2,1 godina. U Evropi je povraćaj brži u sunčanijim regionima (npr. Sicilija ~1 godina).

U poređenju sa fosilnim gorivima

 

View this post on Instagram

 

A post shared by RTV Belle amie (@belami.rs)

Sunčeva energija ima znatno manji ugljenični otisak u odnosu na fosilna goriva. Prema procenama IPPC‑a (citirano u Eco Experts tekstu), ugljenični otisak krovnih solarnih panela je oko 12 puta manji od prirodnog gasa i 20 puta manji od uglja. Prosečna 350‑W ploča u Ujedinjenom Kraljevstvu proizvodi oko 2.645 kWh godišnje, a karbonski povraćaj je oko 3 godine.

Reciklaža i otpad

Većina solarnih panela dizajnirana je za životni vek od 25-30 godina, nakon čega ulaze u tok otpada. IRENA i IEA‑PVPS procenjuju da bi otpad od PV panela mogao dostići 78 miliona tona globalno do 2050. godine.

Ovaj otpad je pretežno staklo; odgovarajuće recikliranje moglo bi stvoriti izvor sirovina vredan više od 15 milijardi USD do 2050, dovoljan za proizvodnju 2 milijarde novih panela. EU je prva uspostavila obavezujuća pravila za sakupljanje i reciklažu PV modula.

Ostali uticaji

Novije tehnologije (n‑tip ćelije, tanak film, perovskiti) smanjuju potrošnju materijala.

Takođe, potražnja za ključnim materijalima poput srebra i indijuma pokreće razvoj alternativa (bakarni kontakti, reciklaža).

Instalacija i orijentacija

Najbolji nagib i orijentacija

Da bi solarni paneli radili optimalno, treba ih postaviti tamo gde imaju maksimalnu izloženost suncu i minimalno zasenjivanje. U severnoj hemisferi (npr. Srbija) idealno je da paneli budu okrenuti ka jugu.

U praksi se često koristi pravilo da optimalni ugao približno odgovara geografskoj širini lokacije (oko 45° za Vojvodinu), dok se u letnjem periodu ugao može blago smanjiti, a zimi povećati radi boljeg prilagođavanja niskom suncu.

U Nemačkoj, Fraunhofer ISE procenjuje da sistemi dostižu 980-1.030 sati punog opterećenja godišnje, što znači da sistem od 1 kW proizvodi oko 980-1.030 kWh/god. Ovo zavisi od geografske širine, nagiba i eventualnog zasenjenja.

Montaža i povezivanje

Moderni PV sistemi sastoje se od:

Kada se sistem poveže na javnu mrežu (net‑metering), višak energije se vraća u mrežu, a domaćinstvo dobija kredite na računu za struju. U nekim zemljama se koristi feed‑in tarifa, dok se kod net‑meteringa koristi obračun razlike.

Integracija u mrežu i izazovi

Zakašnjenja u priključivanju dovode do investicionih gubitaka, a operatorima mreža nedostaje planiranje za scenarije dekarbonizacije do 2035 (samo 5 od 22 operatora to uzima u obzir).

Za prevazilaženje izazova potrebne su investicije u skladištenje (baterije, hidroakumulacije), demand‑response i modernizaciju mreže.

Budući trendovi i inovacije

• Tandem i perovskitne ćelije: brzi napredak dovodi do efikasnosti >30 %. Italijanska kompanija 3Sun i francuski CEA postigli su 30,8 % na 9 cm² ćeliji 2025. godine, a Fraunhofer ISE 31,6 % (1 cm²). Industrija očekuje komercijalne module preko 30 % u narednoj deceniji.
• Agrivoltaika i plutajuća PV: kombinovanje PV panela s poljoprivredom (agrivoltaika) omogućava dvostruko korišćenje zemljišta, smanjuje isparavanje i štiti useve. Plutajuće solarne elektrane na jezerima i rezervoarima smanjuju gubitke isparavanja i povećavaju proizvodnju zahvaljujući hlađenju vodom.
• Građevinski integrisani PV (BIPV): PV elementi ugrađuju se u fasade, prozore i krovove zgrada, čime se štedi prostor i smanjuje potrošnja građevinskog materijala.
• Recikliranje i kružna ekonomija: IRENA/IEA preporučuju uvođenje specifičnih regulativa za PV otpad. Reciklaža bi mogla postati unosan sektor vredan 15 mrd USD do 2050.

Zaključak

Solarni paneli pretvaraju sunčevu energiju u električnu energiju koristeći se svojstvima poluprovodnika i p‑n spoja. Zahvaljujući tehnološkom razvoju, cene su drastično pale, a efikasnost porasla.

Globalni kapacitet PV‑a brzo raste i već danas pokriva značajan deo svetske potrošnje električne energije.

PV sistemi se isplate u roku od nekoliko godina i imaju nizak karbonski otisak, dok energija utrošena u njihovu proizvodnju biva vraćena za manje od godinu dana. Budućnost donosi još efikasnije ćelije (perovskitne i tandem), nova rešenja za skladištenje i integraciju u mrežu, kao i sve veću upotrebu solarne energije u svakodnevnom životu.