Zasady działania paneli fotowoltaicznych dla wielu są czarną magią. Stare powiedzenie mówi jednak, że nie taki diabeł straszny jak go malują. Tak samo jest w tym przypadku. Aby zrozumieć, jak działa fotowoltaika i jaką drogę muszą pokonać promienie słoneczne, abyśmy mogli korzystać z czystej energii elektrycznej w naszym domu, należy skupić się na podstawach. Podstawą w tym przypadku jest budowa ogniwa fotowoltaicznego.
Najważniejszą, a jednocześnie najmniejszą częścią paneli fotowoltaicznych są ogniwa fotowoltaiczne, które nazywa się również fotoogniwami, ogniwami słonecznymi lub ogniwami fotoelektrycznymi. Są to półprzewodniki przetwarzające energię pochodzącą z promieni słonecznych w czysty prąd elektryczny. Ogniwa tworzą moduły fotowoltaiczne będące jednym z podstawowych elementów każdej prywatnej elektrowni.
Zasada działania ogniwa fotowoltaicznego wbrew pozorom wcale nie jest skomplikowana. Wszystko opiera się na tzw. zjawisku fotowoltaicznym. Za odkrywcę tego efektu uznaje się francuskiego fizyka A.E. Becqurela, który w 1839 r. zauważył, że pod wpływem promieniowania słonecznego w ciele stałym powstają siły elektromotoryczne. Właśnie to zjawisko jest podstawową zasadą działania paneli fotowoltaicznych.
Spis treści
Ogniwo fotowoltaiczne – budowa
Ogniwa fotowoltaiczne zazwyczaj są zbudowane z płytki krzemowej. Czasem wykorzystuje się płytki z salenu lub gemanu. Są to materiały półprzewodzące, które umożliwiają zajście procesu przemiany energii słonecznej w energię elektryczną. Najczęściej do budowy paneli fotowoltaicznych wykorzystuje się krzem, gdyż pierwiastek ten posiada na ostatniej powłoce aż cztery elektrony wentylacyjne. Należy w tym miejscu wspomnieć, że zjawisko fotoemisji zachodzi najszybciej w atomach mających ich dużą liczbę.
Na górnej powierzchni ogniwa znajdują się elektrody zbierające posiadające wartość ujemną, które występują w postaci siatki. Natomiast na dole umieszczone są elektrody przenoszące o wartości dodatniej, które funkcjonują jako metalowa płytka. I to w sumie praktycznie cała budowa ogniwa fotowoltaicznego. Aby jednak dobrze zrozumieć, jaka jest zasada działania, ogniwa fotowoltaiczne należy rozróżniać, a do tego potrzebna jest pewna znajomość ich specyfikacji.
Ogniwa krzemowe o grubości od 0,1 do 0,3 mm (nazywane także grubowarstwowymi) należą do tzw. I generacji. Są one najpopularniejsze, gdyż wyróżniają się długą żywotnością i mogą osiągać blisko 20% sprawności. Niestety są one dość kosztowne. Ogniwo fotowoltaiczne I generacji może być wykonane z krzemu monokrystalicznego (ogniwa monokrystaliczne), co wymaga wytworzenia pojedynczych kryształów krzemu. Można także spotkać się z ogniwem wykonanym z krzemu polikrystalicznego, czyli z wyszlifowanych płytek krzemowych (ogniwa polikrystaliczne).
Budowa ogniwa fotowoltaicznego II generacji opiera się na złączu „n-p”, lecz nie wykorzystuje się w nich krzemu krystalicznego. Mogą być wyprodukowane z tellurku kadmu, mieszaniny miedzi, galu, indu, selenu lub krzemu amorficznego. Wyróżniają się niewielką grubością warstwy półprzewodnika absorbującego światło. W ogniwach II generacji wynosi ona od 0,0001 do 0,08 mm.
Istnieją również ogniwa III generacji, które nie posiadają klasycznego złącza „p-n”. Do tej grupy należą między innymi koncentratory PV, ogniwa uczulane barwnikiem czy ogniwa organiczne OPV. Cechują się krótkim czasem pracy oraz niską sprawnością, więc są rzadko spotykane i raczej niepopularne.
Ogniwo fotowoltaiczne – schemat
Budowa panela fotowoltaicznego jest bardzo prosta. Przede wszystkim należy wiedzieć, że ogniwo składa się z dwóch warstw półprzewodnika:
- warstwa typu „n”,
- warstwa typu „p”.
Pierwsza z nich jest ujemna, natomiast druga – dodatnia. Warstwa typu „n” jest cienką i przezroczystą powłoką o cechach antyrefleksyjnych. Dolna warstwa jest znacznie grubsza. Pomiędzy obiema poziomami znajduje się półprzewodnikowe złącze „p-n” (półprzewodników niesamoistnych) stanowiące barierę potencjałów.
Poszczególne ogniwa mogą mieć różną wielkość, zaś ich moc zależna jest od ich wielkości. Najmniejsze z nich (4×4 cm) generują prąd o mocy ok. 1 W, z kolei największe (15×15 cm) – ok. 7 W. Pojedyncze fotoogniwa są równolegle łączone w szeregi (połączenie szeregowe), tworząc gotowe panele fotowoltaiczne. Budowa jest więc ściśle powiązana z działaniem, gdyż ilość i wielkość pojedynczych ogniw wpływa bezpośrednio na moc prądu, który zostanie wygenerowany.
Jak działa ogniwo fotowoltaiczne?
Najprostsza definicja promieniowania słonecznego określa je jako strumień fotonów (kwantonów) niosących pewną energię. Do zjawiska fotoelektrycznego dochodzi, gdy fotony zdarzają się z elektronami, przekazując im energię. Aby zrozumieć, jak działa ogniwo fotowoltaiczne, należy wiedzieć, że energia fotonu zostaje całkowicie pochłonięta przez elektron. Elektron ten przenosi się do pasma przewodnictwa, zmieniając własności elektryczne materiału. Mówiąc inaczej, efekt fotowoltaiczny jest przenoszeniem elektronów przez fotony na wyższe poziomy energetyczne (wybicie elektronów z ich pozycji), co doprowadza do wytworzenia się siły elektromotorycznej.
Zasada działania ogniwa fotowoltaicznego skupia się zatem na tym, że światło słoneczne padające na fotoogniwo zapoczątkowuje reakcję fizyczną skutkującą powstaniem prądu stałego. Nie jest to jednak wszystko, gdyż w naszych gniazdkach posiadamy prąd zmienny. Do prawidłowego działania paneli słonecznych potrzebny jest falownik. To właśnie w nim prąd stały zostaje zmieniony na prąd zmienny. Jest to bardzo istotna część całego systemu, gdyż bez tego wytworzony prąd nie będzie nadawał się do codziennego użytku.
Ostatnio coraz popularniejsze stają się mikroinwertery. Umieszczane są one w każdym fotoogniwie. Warto także mieć na uwadze zróżnicowanie kolorystyczne. Ogniwa monokrystaliczne można rozpoznać po czarnym kolorze, zaś panele polikrystaliczne są niebieskie. Te drugie często można pomylić z kolektorami solarnymi, gdyż posiadają taką samą barwę. Ogniwa monokrystaliczne są zazwyczaj droższe, lecz gwarantują wydajniejsza produkcję energii elektrycznej przy wykorzystaniu mniejszej powierzchni.
Osoby posiadające dużą powierzchnię (np. na dachach budynków filmowych, halach, fabrykach itp.) zazwyczaj wybierają panele fotowoltaiczne o możliwie najniższej cenie. Nie jest to jednak najlepsze podejście. Fotowoltaika dla firm wymaga bowiem przede wszystkim skuteczności i niezawodności. Zamontowane panele fotowoltaiczne powinny mieć możliwie jak największą sprawność. W przypadku standardowych ogniw polikrystaliczne wynosi ona 14-16%, jednak najnowocześniejsze modele mogą osiągać wartość ok. 20%. Natomiast średniej jakości ogniwa monokrystaliczne cechują się wydajnością 16-20%. Dzięki stale rozwijającej się technologii można przypuszczać, że z roku na rok wydajność ogniw będzie rosła, niosąc jeszcze większe korzyści.
