Ogniwo fotowoltaiczne – główny element paneli fotowoltaicznych
Ogniwa fotowoltaiczne są podstawowym i najważniejszym elementem panelu fotowoltaicznego. Te jednostki zwane też ogniwami słonecznymi lub fotoogniwami są także sercem fotowoltaiki. Dlaczego? Co się w nich znajduje, że przekształcają energię z promieniowania słonecznego na energię elektryczną?
Ogniwa słoneczne, czyli podstawa fotowoltaiki
Ogniwo fotowoltaiczne to półprzewodnik, który przechwytuje światło słoneczne i zamienia je bezpośrednio w energię elektryczną. Ogniwa słoneczne są często łączone w większe jednostki zwane modułami słonecznymi, połączone z jeszcze większymi jednostkami znanymi jako panele słoneczne. Ogniwa panelu słonecznego wytwarzają energię przez przechwytywanie światła słonecznego.
Światło składa się z maleńkich cząstek zwanych fotonami, a promień światła słonecznego zawiera biliony fotonów. Podczas kontaktu z ogniwem słonecznym fotony są wychwytywane i przekształcane w strumień elektronów. Każda komórka wytwarza kilka woltów prądu. Zadaniem panelu słonecznego jest połączenie energii produkowanej przez wiele ogniw w celu wytworzenia użytecznej ilości prądu i napięcia elektrycznego.
Jak działa prosty system fotowoltaiczny?
Każdy system fotowoltaiczny, który ma z promieniowania słonecznego wytworzyć energię elektryczną do domu lub firmy zawiera dwa typy komponentów:
- Panele fotowoltaiczne, które mają ogniwa fotowoltaiczne do przekształcania światła słonecznego w zasoby energii elektrycznej.
- Falownik, który transformuje prąd stały w prąd zmienny. Ponadto umożliwia również wykonanie innych zadań, które poprawiają sprawność i są ważne dla sieci elektrycznej.
To elementy podstawowej konstrukcji fotowoltaicznej, której zasadę działania najprościej można opisać jako produkowanie energii elektrycznej z promieniowania słonecznego. Panele fotowoltaiczne działają w prosty sposób. Po wystawieniu elementów, które tworzą panele fotowoltaiczne na światło słoneczne, występuje efekt fotowoltaiczny, który przekształca fotony światła słonecznego na elektrony. Dochodzi do konwersji energii promieniowania słonecznego na prąd elektryczny.
Ogniwa fotowoltaiczne wytwarzają prąd stały, który dzięki falownikowi jest przetwarzany na prąd zmienny. Dzięki temu można go odesłać z powrotem do sieci elektrycznej, która działa na prąd zmienny, a także do zasilania urządzeń w domu lub w firmie (w zależności od zastosowanego systemu fotowoltaiki).
Krótka historia ogniw fotowoltaicznych
Wbrew pozorom ten element nie jest nowym odkryciem. Jego początki sięgają 1839 roku, kiedy to fizyk francuskiego pochodzenia poświęcił się badaniu m.in. widma słonecznego.
Oto krótkie kalendarium odkrycia zasad działania fotowoltaiki:
- Rok 1839: Edmond Becquerel obserwuje efekt fotowoltaiczny podczas przeprowadzania eksperymentu z materiałami półprzewodnikowymi.
- Rok 1873: Willoughby Smith odkrywa półprzewodnikowe właściwości selenu.
- Rok 1883: Charles Fritts buduje pierwsze półprzewodnikowe ogniwo słoneczne, które wykorzystuje selen (pokryty cienką warstwą złota) jako półprzewodnik. To urządzenie zdołało wykorzystać 1% energii.
- Rok 1887: Heinrich Hertz po raz pierwszy opisuje efekt fotowoltaiczny.
- Rok 1888: Aleksandr Stoletov tworzy pierwsze ogniwo słoneczne oparte na efekcie fotowoltaicznym opisanym przez Hertza.
- Lata 50.: naukowcy z laboratorium Bell opracowują pierwsze ogniwo wykonane z krzemu, które zużywało 6% energii.
W ostatnich latach poczyniono duże postępy i każdego roku pojawia się coraz więcej inwestycji nastawionych na ulepszanie i optymalizację ogniw słonecznych. Wszystko po to, aby osiągnąć większą wydajność podczas wykorzystywania energii ze słońca.
Budowa ogniwa fotowoltaicznego
Zastanawiasz się, z czego składa się ogniwo fotowoltaiczne? Głównym składnikiem ogniw są półprzewodniki, które są zwykle wykonane na bazie krzemu.
Dlaczego najczęściej stosuje się krzem? Ma korzystne właściwości fotowoltaiczne w porównaniu z innymi materiałami i jest pierwiastkiem, który obficie występuje w skorupie ziemskiej. Krzem musi być połączony z innym pierwiastkiem, aby wygenerować niestabilność elektryczną, co czyni go półprzewodnikiem. Najczęstszymi domieszkami są fosfor lub bor.
Dwie warstwy półprzewodnika i efekt fotoelektryczny
Zasadniczo fotoogniwo złożone jest z dwóch warstw półprzewodnika. Pierwsza to cienka i przezroczysta powłoka typu n, która znajduje się na górze. Nad nią ulokowana jest elektroda ujemna i powłoka antyrefleksyjna, a na spodzie elektroda dodatnia. Drugą warstwę typu p, która jest o wiele grubsza, umieszcza się na dole. Warstwy te oddziela bariera potencjałów stworzona ze złączy p-n.
Żadne elektrony nie mogą przekroczyć bariery, więc prąd nie może płynąć. Jeśli warstwy zostaną oświetlone słońcem, dzieje się coś niezwykłego: fotony w kontakcie z tymi warstwami przekazują swoją energię atomom krzemu. Przychodząca energia uderza w elektrony z dolnej warstwy, tak że przeskakują one przez barierę do warstwy wyżej i opływają obwód. Im więcej światła, tym więcej elektronów wyskakuje i tym większy jest przepływ prądu. Nazywa się to efektem fotoelektrycznym.
Rodzaje ogniw fotowoltaicznych
Istnieją różne rodzaje ogniw fotowoltaicznych, w zależności od ich przeznaczenia i składu. Najprostszy podział dotyczy fotoogniw pierwszej generacji, czyli rozróżnienia na ogniwa monokrystaliczne i polikrystaliczne.
- Ogniwa fotowoltaiczne monokrystaliczne – wycina się je z walca, charakteryzują się ściętymi, zaokrąglonymi rogami i są jednym, solidnym kryształem, więc ich produkcja wymaga zaawansowanej technologii. Dlatego też ogniwa te są droższe w porównaniu z innymi typami modułów fotowoltaicznych w przeliczniku PLN/Wp za moduł. Jednak ich wydajność jest wyższa, a co za tym idzie współczynnik Wp/m2 jest zwiększony. Lepiej też radzą sobie z wyższymi temperaturami i generują więcej prądu, więc można zamontować ich mniej. Ogniwa monokrystaliczne często są czarne i na ogół dobrze wyglądają, komponując się z dachem lub pozostałymi elementami otoczenia.
- Ogniwa fotowoltaiczne polikrystaliczne – mają kształt kwadratu, więc złożone w panelach fotowoltaicznych tworzą jednorodną płaszczyznę. Wyposażone są w powłokę antyrefleksyjną, która nadaje im niebieski kolor. Osiągają dobre wyniki, chociaż nieco niższe niż ogniwa fotowoltaiczne monokrystaliczne, zwłaszcza w warunkach słabego naświetlenia. Jednak tego typumoduły są tańsze niż poprzednie o około 15%, a ich wydajność konwersji jest nadal dobra, dzięki licznym ulepszeniom, które zastosowano w tym typie ogniw w ciągu ostatnich 5 lat.
Które ogniwa wykorzystywane są najczęściej?
Według najnowszego raportu Instytutu Energii Odnawialnej „Rynek Fotowoltaiki w Polsce 2021” częściej wybierane są moduły monokrystaliczne. Różnica ta jest ogromna, ponieważ ogniwa fotowoltaiczne polikrystaliczne stanowią obecnie tylko 2% rynku.
Chociaż zakup modułów monokrystalicznych jest droższy, to głównie ich większa wydajność sprawia, że są częstszym wyborem konsumentów. Wiąże się to m.in. z faktem, że do pokrycia nawet minimalnego zapotrzebowania na prąd na niedużej powierzchni dachu trzeba mocniejszych systemów, a pod tym względem panele fotowoltaiczne polikrystaliczne wypadają słabiej.
Inne materiały wykorzystywane w fotowoltaice
Jak wspomniano w poprzedniej części wpisu, krzem zarówno w postaci monokrystalicznej, jak i polikrystalicznej jest najczęściej wykorzystywany w masowej produkcji ogniw fotowoltaicznych.
Istnieją jednak inne materiały, z których można produkować ogniwa fotowoltaiczne:
- Arsenek galu – to kolejny materiał, który działa jako półprzewodnik używany do produkcji ogniw fotowoltaicznych o dużej wydajności energetycznej. W odniesieniu do tego materiału należy zauważyć, że istnieją już badania, które wykazały, że są one w stanie osiągnąć wydajność 25%.
- Krzem amorficzny – jego struktura nie jest krystaliczna. Obecnie materiał ten stanowi ponad 10% całości międzynarodowej produkcjipaneli fotowoltaicznych. Wykazano również, że jest w stanie z promieniowania słonecznego osiągnąć wydajność na poziomie 10%.
- Tellurek kadmu – jest to materiał polikrystaliczny. Dzięki niemu osiągnięto 16% wydajności, co nie pozostawia żadnego laboratorium obojętnym na wykorzystanie go do produkcji ogniwa fotowoltaicznego.
Zalety ogniw fotowoltaicznych
Ogniwa fotowoltaiczne są podstawowym elementem paneli słonecznych, które umożliwiają czerpanie z czystej, zielonej energii. Główne korzyści z zainwestowania w ten rodzaj technologii skupiają się wokół nieskończonego, odnawialnego źródła energii. Ogniwa fotowoltaiczne wykorzystują energię słoneczną i przekształcają ją w użyteczną energię elektryczną. Pozyskiwanie energii z promieniowania słonecznego, które jest źródłem niewyczerpanym, to także dobre rozwiązanie dla środowiska, które zapobiega zmianom klimatycznym.
Ogniwa fotowoltaiczne prawie nie wytwarzają zanieczyszczeń. Powstawanie odpadów jest oczywiście nieuniknione w związku z produkcją fotoogniw, ich transportem i instalacją. Jest to jednak niewielki ułamek w porównaniu z tym, co pozostaje po czerpaniu energii z innych źródeł. Poza tym systemy fotowoltaiczne często mają długą żywotność i wysoką trwałość, więc mogą służyć nawet 25 lat.
Ostatecznie – ogniwa fotowoltaiczne to świetna okazja do zaoszczędzenia na rachunkach za energię elektryczną, a nawet i zarobienia, gdy dostępne nadwyżki energetyczne zostaną sprzedane do zakładu energetycznego.
