Budowa Ogniwa FotowoltaicznegoArtykuły 

Budowa Ogniwa Fotowoltaicznego

Zrównoważony rozwój gospodarki (sustainable development) polega na zaspokajaniu podstawowych potrzeb obecnego pokolenia, bez umniejszania szansy zaspokajania tych samych potrzeb przez pokolenia przyszłe. Aby prowadzić gospodarkę po ścieżce zrównoważonego rozwoju, należy coraz częściej wykorzystywać alternatywne źródła energii. Gospodarki krajów Europy Zachodniej w coraz większym stopniu bazują właśnie na źródłach odnawialnych. Przykładem wykorzystania energii odnawialnej w gospodarce jest fotowoltaika. Jako dziedzina nauki, która zajmuje się przetwarzaniem energii słonecznej w prąd elektryczny przy wykorzystaniu zjawisk fizycznych, daje perspektywę przyszłej dywersyfikacji źródeł dostaw energii. Fotowoltaika w warunkach polskich zyskuje obecnie na popularności, a fotowoltaiczne ogniwa różnego typu są towarem coraz bardziej pożądanym na rynku. Sprawdź, jak wygląda budowa ogniwa fotowoltaicznego, jak działa.

Budowa ogniwa fotowoltaicznego – podstawowe informacje

Ogniwo fotowoltaiczne, określane jest również jako fotoogniwo lub ogniwo słoneczne. Jego definicję należy rozumieć jako przyrząd półprzewodnikowy, którego zadaniem jest bezpośrednie przetworzenie energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną. Promienie słońca padające na ogniwa słoneczne, wykorzystując swoje właściwości fizyczne, doprowadzają do powstania tzw. zjawiska fotowoltaicznego. Jest to trzon dziedziny nauki, jaką jest fotowoltaika.

Ogniwo fotowoltaiczne jest głównym elementem całego systemu fotowoltaicznego, w skład którego, obok ogniw wchodzą moduły, kolektory lub panele fotowoltaiczne, a także elementy, dzięki którym wytwarzany prąd stały wędruje do zasilanych urządzeń. Budowa ogniw słonecznych opiera się na dwóch warstwach półprzewodnika. Składają się na nie warstwa p, posiadająca ładunek dodatni oraz warstwa n, o ładunku ujemnym.

Ogniwa fotowoltaiczne budowane są z krzemu, germanu i selenu, ale najczęściej stosowanym materiałem do ich produkcji jest krzem. Schemat instalacji fotowoltaicznej jest dość rozbudowany i składa się z wielu urządzeń, a jego podstawowym elementem jest panel fotowoltaiczny. Panele fotowoltaiczne nowego typu cechują się wysoką wydajnością, umożliwiającą zredukowanie kosztów zużycia energii elektrycznej lub całkowite ich wyeliminowanie z miesięcznego budżetu. Wybór paneli i systemów fotowoltaicznych zależy od indywidualnych potrzeb danego odbiorcy. Koszty zaś uzależnione są od wyboru instalacji. Wraz ze wzrostem popularności rozwiązań, których trzonem jest fotowoltaika całkowite koszty instalacji sprzętu proporcjonalnie maleją.

Ogniwa fotowoltaiczne łączone są w moduły, które połączone są w układach szeregowych albo szeregowo- równoległych. Stosowanie modułów jest dużo bardziej praktyczne. Dzięki temu bowiem wzrasta moc napięcia elektrycznego. Stosowanie ogniw fotowoltaicznych najczęściej spotyka się w technice kosmicznej, chodź wkrada się ono również do codzienności, stanowiąc źródło zasilania, chociażby świateł drogowych. Coraz częściej wykorzystywane są również w budownictwie. Budynki i budowle wykorzystują nawet do 41% całkowitego zużycia energii. Dzięki stosowaniu nowoczesnych rozwiązań w tej gałęzi gospodarki, takich jak panele fotowoltaiczne można poczynić znaczne redukcje zużycia energii elektrycznej. Fotowoltaika jest zatem dziedziną nauki, w której można pokładać ogromne nadzieje co do redukcji całkowitego zużycia energii w tak znaczącym dziale gospodarki, jednocześnie niezbędnym do życia i prowadzenia działalności każdemu człowiekowi.

Ogniwo fotowoltaiczne ma liczne warstwy – jakie?

Budowa pojedynczego ogniwa fotowoltaicznego opiera się na płytce półprzewodnika z krzemu. W produkcji ogniw słonecznych stosuje się zarówno krzem krystaliczny, jak i polikrystaliczny. Grubość płytek mieści się w granicach 200-400 mikrometrów. Fotoogniwo tworzy pięć warstw, których właściwości opisano poniżej:

  • elektroda ujemna zbierająca elektrony w postaci siatki oraz powłoka anty-refleksyjna- tworzą górną warstwę ogniwa słonecznego,
  • pod elektrodą ujemną znajduje się cienka oraz przeźroczysta warstwa n,
  • złącze p-n jest to warstwa oddzielająca warstwy p i n, tworząc barierę potencjałów,
  • warstwa p- jest grubsza od warstwy n,
  • elektroda dodatnia w postaci warstwy metalicznej- dolna warstwa wchodząca w budowę ogniwa fotowoltaicznego. Udowodniono, że pojedyncze ogniwo krzemowe może wygenerować prąd, którego moc sięga od 1 do 6,97 W. Ogniwa łączy się ze sobą szeregowo i równolegle w panele fotowoltaiczne.

Trzy rodzaje ogniw fotowoltaicznych – jakie?

Są to: ogniwa krzemowe I generacji, ogniwa krzemowe II generacji, ogniwa krzemowe III generacji.

Ogniwa krzemowe I generacji nazywamy również grubowarstwowymi. Grubość płytek krzemowych wynosi od 0,1- 0,3 mm. Można je podzielić na ogniwa monokrystaliczne i polikrystaliczne. Monokrystaliczne, tworzone są z jednego kryształu krzemu powstałego w procesie opartym na „wyciąganiu pojedynczego kryształu krzemu z roztopionej masy polikryształów” (proces Czechralskiego). Powstały kryształ zostaje pocięty na płytki o grubości ok. 0,3 mm i promieniu od kilku do kilkunastu cm. Tak przygotowane płytki posiadają ładunek p. Następnie za pomocą dyfuzji fosforu w górnej warstwie płytki wytwarza się obszar typu n, doprowadzając do powstania bariery potencjałów.

Wykazują największą sprawność konwersji ze wszystkich ogniw krzemowych, są również najdroższe. Według przeprowadzonych badań produkowane monokrystaliczne ogniwa fotowoltaiczne, posiadają średnio 22% sprawności przetwarzania promieniowania słonecznego. Należy jednak pamiętać, że osiągają ją jedynie w bezchmurne dni. Podczas zachmurzenia ich sprawność gwałtownie spada. Aktualnie są najbardziej rozpowszechnione na rynku ze wszystkich dostępnych ogniw.

Proces produkcyjny ogniw polikrystalicznych zachodzi w specjalnych formach. Pierwszą fazą produkcji jest roztopienie kryształów krzemu, następnie następuje proces ochładzania. Otrzymane w ten sposób bloki są cięte na prostokątne płytki o grubości poniżej 0,2 mm, w których również formowana jest bariera potencjału. Następnie zostają poddane szlifowaniu. Kolejnym etapem jest nałożenie ścieżek prądowych oraz zastosowanie warstwy antyodblaskowej.

W przypadku polikrystalicznych ogniw fotowoltaicznych, moduły osiągają średnią sprawność na poziomie 15-18%. Rekompensuje to niższa cena niż w przypadku ogniw monokrystalicznych. Szacuje się, że koszt wyprodukowania ogniwa typu monokrystalicznego wynosi 2,50 zł/W, natomiast polikrystalicznego 2,30 zł/W.

Budowa ogniw II generacji również opiera się o złącze n-p jednak krzem krystaliczny jest w tym przypadku zastąpiony innym materiałem, np. krzemem amorficznym, tellurkiem kadmu czy mieszaninami miedzi, galu, selenu. Noszą nazwę ogniw cienkowarstwowych. Charakteryzują się bardzo małą grubością warstwy półprzewodnika. Wynosi ona od 0,001-0,08 mm. Proces ich produkcji składa się z trzech etapów: napylanie, naparowywanie, epitaksję. Polega na nakładaniu cienkich warstw krzemu amorficznego na szkle. Znaczenie ogniw cienkowarstwowych rośnie z uwagi na ograniczoną globalną dostępność krzemu przy jednoczesnym dynamicznie rosnącym popycie na niego. Tego typu moduły budowane są z jednego tylko ogniwa.

Ze względu na dużą redukcję zużycia półprzewodników ich produkcja dostarcza mniejszych kosztów niż ogniw I generacji. Obecnie rośnie znacznie krzemu amorficznego, jako materiału najbardziej rozpowszechnionego przy produkcji ogniw cienkowarstwowych. Znajduje on również swoje zastosowanie w produkcji kalkulatorów czy zegarków. W badaniach laboratoryjnych ogniwa II generacji uzyskały 6-8 % sprawności.

Główną cechą ogniw III generacji jest to, że nie posiadają klasycznego złącza p-n. Sam proces powstawania w nich ładunku elektrycznego ma charakter nowatorski, a mechanizm jest charakterystyczny dla danego procesu i rozwiązania. Wyróżniono pięć typów opisywanych ogniw: ogniwa organiczne OPV, ogniwa w układach koncentrujących  światło, ogniwa uczulane barwnikiem, wysokosprawne wielozłączowe moduły półprzewodnikowe oraz inne, np. perowskitowe.

Zastosowanie ogniw III generacji jest obecnie znikome. Powodem jest ich krótki czas pracy oraz niska sprawność. Największą sprawnością przetwarzania promieniowania słonecznego, nawet do 30% posiadają ogniwa powstałe z arsenku galu. Ich koszty są jednak zbyt duże, dlatego znajdują zastosowanie przede wszystkim w kosmosie.

Proces powstawania prądu w fotowoltaicznych ogniwach – krok po kroku

Zasada działania fotowoltaicznych paneli oparta jest o zasady fizyki. Światło słoneczne z fizycznego punktu widzenia bowiem można potraktować jako strumień fotonów (kwantów), z których każdy niesie określoną energię lub inaczej ujmując, są to fale rozchodzące się w przestrzeni posiadające pewną częstotliwość. Kwanty napotykają na swojej drodze elektrony. W wyniku ich zderzenia przekazują elektronom całą niesioną przez siebie energię. Powoduje to powstanie zjawiska fotoemisji. Do zjawiska wybicia elektronów z orbit atomowych (fotoemisji) najszybciej dochodzi w atomach posiadających dużą ilość umiejscowionych na ostatnich od jądra orbitach, znanych jako elektrony walencyjne. Wspomniany wcześniej krzem, pomimo iż nie jest metalem i posiada małą zdolność przewodzenia prądu to posiada cztery elektrony walencyjne. W praktyce zasada działania oparta jest o krzem modyfikowany, jako półprzewodnik typu n (negative) i p (positive). Pierwszy z nich powstaje w procesie dodania kryształu domieszek pięciowartościowych, a więc posiadających o jeden elektron walencyjny więcej od krzemu. Mogą to być na przykład: fosfor, arsen. Piąty elektron będzie słabo związany z jądrem z powodu braku pary, a więc nie będzie brał udziału w tworzeniu wiązania kowalencyjnego. Natomiast budowa drugiego z półprzewodników następuje poprzez dodanie do kryształu pierwiastków trójwartościowych. Należą do nich na przykład: bor czy glin. Tak przeprowadzony zabieg powoduje zdekompletowanie jednego z wiązań kowalencyjnych, co prowadzi do powstania dziur elektronowych. Połączenie dwóch półprzewodników powoduje powstanie bariery potencjałów, wówczas zaczyna płynąć prąd. Moc płynącego prądu, a w zasadzie jego wartość jest początkowo niewielka. Może ona gwałtownie wzrosnąć w wyniku dodania do układu energii fotonów.

Fotowoltaiczne ogniwa to bez wątpienia przyszłość globalnej produkcji energii elektrycznej. Fotowoltaika wraz z ciągłym rozwojem przemysłu zyskuje coraz bardziej na popularności i jest to zjawisko niezwykle pożądane. Nowoczesne moduły, których budowa jest coraz tańsza i bardziej konkurencyjna jakościowo dają perspektywę znacznie bardziej ekologicznego podejścia do zużywanych zasobów energii. Rosnąca liczba ofert paneli fotowoltaicznych pozwala na właściwe dostosowanie ich bezpośrednio do konkretnych, zwykle zróżnicowanych potrzeb konsumenta. Bardzo ważne dla zrównoważonego rozwoju jest prowadzenie kampanii promujących ten sposób pozyskiwania energii.

Przeczytaj również

Leave a Comment