Jak działa ogniwo fotowoltaiczne?

Ogniwo fotowoltaiczneFotowoltaika z roku na rok jest coraz bardziej popularna. Wydaje się, że jest również jedną z najbardziej obiecujących gałęzi energetyki. Dlaczego jednak uzyskujemy energię z promieni słonecznych? Najważniejszym elementem każdej elektrowni słonecznej jest ogniwo fotowoltaiczne. W poniższym artykule dowiesz się z czego zbudowane jest takie ogniwo oraz poznasz zasadę jego działania.

Energia solarna - zjawisko fotowoltaiczne

Do przetworzenia energii promieniowania słonecznego na prąd dochodzi dzięki zjawisku, które nazywa się efektem fotowoltaicznym. Właśnie do niego dochodzi w ogniwie słonecznym. Samo zjawisko zauważył już w roku 1839 Aleksander Edmund Becquerel - francuski fizyk. Jest to efekt promieniowania słonecznego na ciało stałe, które polega na wytworzeniu w nim siły elektromotorycznej (SEM). Wytworzona siła powoduje następnie przepływ prądu w obwodzie elektrycznym. Ogniwa fotowoltaiczne wykorzystują ten właśnie proces do produkcji prądu. Ogniwo słoneczne składa się z dwóch warstw: jednej ujemnie naładowanej (p) i drugiej naładowanej dodatnio(n). Tworzy więc półprzewodnikowe złącze typu p-n. Promienie słoneczne, które padają na ogniwo fotowoltaiczne inicjują reakcję fizyczną, której efektem jest napięcie elektryczne.

Ogniwo fotowoltaiczne

Budowa ogniwa fotowoltaicznego

Pojedyncze ogniwo fotowoltaiczne zbudowane jest najczęściej z płytki krzemowej. Innymi materiałami półprzewodnikowymi wykorzystywanymi do produkcji ogniw jest german lub selen. Są one jednak rzadziej spotykane. Górna powierzchnia płytki wyposażona jest w elektrody w postaci siatki, które zbierają elektrony, a na dole płytki nanoszona jest elektroda w postaci warstwy metalicznej. Pojedyncze ogniwa krzemowe wykonywane są o wymiarach 10x10 do 15x15cm i generują prąd o mocy od 1-6,97 W. Generalnie jedno ogniwo nie przekracza raczej 4 W. Z tego powodu ogniwa łączy się szeregowo w większe panele fotowoltaiczne, które są w stanie wygenerować moc dochodzącą nawet do 300W.

Ogniwo fotowoltaiczne

Rodzaje ogniw fotowoltaicznych

Ogniwa pierwszej generacji

Ogniwa fotowoltaiczne dzielą się na trzy rodzaje. Podział ten spowodowany jest różnicą w budowie oraz procesie produkcyjnym. Najpopularniejsze są tak zwane ogniwa pierwszej generacji, które dzielą się na monokrystaliczne oraz polikrystaliczne.

Ogniwo monokrystaliczne

Ogniwa monokrystaliczne są zbudowane z jednego kryształu krzemu, dzięki czemu uzyskują największą sprawność i najwyższą żywotność. Ten najlepszy wybór jest niestety również najdroższy ze względu na dosyć kosztowny proces produkcji (należy wytworzyć pojedynczy kryształ ze stopionych polikryształów krzemu). Ogniwa monokrystaliczne mogą jednak pracować nawet do 25 lat! Krzem krystaliczny cechuje się odbijaniem światła nawet do 40%, dlatego pocięte laserowo płytki pokrywa się specjalną warstwą przeciwodblaskową.

Ogniwo polikrystaliczne

Ogniwo polikrystaliczne są znacznie tańsze od ogniw polikrystalicznych ze względu na prostszy proces produkcji, jednak są mniej wydajne. Charakteryzują się niebieskim kolorem oraz widocznymi kryształami krzemu, które podobne są do szronu. Ze względu na niskie koszty, ogniwa polikrystaliczne są najczęściej używane na rynku. Sprawność takich ogniw wynosi około 17%, jest więc niższa od wspomnianych wcześniej ogniw monokrystalicznych. Jeżeli głównym powodem zamontowania instalacji fotowoltaicznej jest oszczędność, warto zastanowić się nad wyborem ogniw polikrystalicznych. Koszt wyprodukowania ogniwa monokrystalicznego wynosi 2,5zł/W, natomiast ogniwo polikrystaliczne jest tańsze o 20 groszy.

Ogniwo fotowoltaiczne

Ogniwa drugiej generacji

Ogniwa drugiej generacji działają na tej samej zasadzie co wcześniejsze ogniwa, jednak różnią się od nich materiałem, z których są wykonane: indu, selenu, galu, mieszaniny miedzi czy też krzemu amorficznego. Ich główną cechą jest niezwykła cienkość płytek, która waha się najczęściej w przedziale 0,001-0,08mm. Ze względu na oszczędniejszy proces produkcji, są one tańsze od ogniw pierwszej generacji. Struktura tych ogniw może być krystaliczna jak i amorficzna.

Ogniwa trzeciej generacji

Najnowszymi ogniwami są tak zwane ogniwa trzeciej generacji. Nie posiadają już klasycznego złącza typu p-n. Ze względu na mechanizm wytwarzania w nich prądu dzieli się te ogniwa na pięć typów: ogniwa organiczne, wysokosprawne struktury półprzewodnikowe, perowskitowe, koncentratory PV oraz ogniwa uczulane barwnikiem. Najnowsze rodzaje ogniw fotowoltaicznych nie mają jednak na razie większego zastosowania ze względu na ich niską sprawność oraz krótki czas pracy. Należy pamiętać, że technologia fotowoltaiczna szybko się rozwija i ogniwa trzeciej generacji mogą stać się niedługo najbardziej opłacalne.

Za pomoc w przygotowaniu artykułu dziękujemy firmie Sunergo, zajmującej się montażem paneli fotowoltaicznych (www.sunergo.pl).

Komentarze