Fotoogniwo (ogniwo słoneczne) to technologia, która wytwarza energię elektryczną z energii słonecznej. Zasada działania opiera się na efekcie fotowoltaicznym. Technologia ta składa się z ogniw fotowoltaicznych, które są w stanie zasilać wiele urządzeń elektrycznych. Fotoogniwo zyskuje coraz większą popularność ze względu na swoją efektywność oraz niskie koszty eksploatacji. W tym artykule dowiesz się, czym dokładnie jest fotoogniwo i jak działa, jakie ma zastosowanie oraz jakie są jego korzyści i wady.

Historia powstania fotoogniwa

Eksperymenty Becquerela

Historia fotoogniw sięga połowy XIX wieku, kiedy to francuski fizyk Alexandre Edmond Becquerel odkrył zjawisko fotowoltaiczne. W 1839 roku Becquerel zauważył, że na elektrodach umieszczonych w elektrolicie (cieczy przewodzącej prąd) powstaje napięcie elektryczne pod wpływem światła. To odkrycie stało się podstawą dla dalszych badań nad zjawiskiem fotowoltaicznym.

Badania Willoughby’ego Smitha

Kolejnym ważnym krokiem w historii fotoogniw było odkrycie siarczku selenowo-kadmowego (CdSe) przez brytyjskiego inżyniera Willoughby’ego Smitha w 1873 roku. Smith zaobserwował, że oporność tego materiału zmienia się pod wpływem światła. W efekcie tego odkrycia naukowcy zaczęli badać możliwości wykorzystania materiałów półprzewodnikowych w celu zamiany światła na energię elektryczną.

Pierwsze fotoogniwo – Charles Fritts

W 1883 roku, Charles Fritts, amerykański wynalazca, skonstruował pierwsze fotoogniwo na bazie cienkowarstwowej struktury siarczku selenowo-kadmowego (CdSe). Fritts pokrył płytkę miedzi warstwą siarczku selenowo-kadmowego i nałożył na nią cienką warstwę złota, tworząc w ten sposób pierwsze fotoogniwo. Jednak jego sprawność wynosiła zaledwie około 1%, co ograniczało jego praktyczne zastosowanie.

Rozwój technologii fotoogniw

Odkrycie krzemu jako materiału półprzewodnikowego

W 1941 roku, Russell Ohl, amerykański inżynier pracujący dla Bell Labs, odkrył, że krzem może być użyty jako materiał półprzewodnikowy do konstrukcji fotoogniw. Krzem okazał się być znacznie bardziej efektywny niż wcześniej używane materiały, co otworzyło drogę do dalszego rozwoju technologii fotoogniw.

Pierwsze krzemowe fotoogniwo – Bell Labs

W 1954 roku, zespół naukowców z Bell Labs pod kierownictwem Calvina Fullera i Geralda Pearsona opracował pierwsze krzemowe fotoogniwo. To przełomowe odkrycie pozwoliło na osiągnięcie sprawności rzędu 6%, co było znaczącym wzrostem w porównaniu z wcześniejszymi technologiami.

Fotowoltaika w kosmosie i na Ziemi

Satelity Vanguard

Pierwsze praktyczne zastosowanie ogniw słonecznych przyszło z programem kosmicznym. W 1958 roku, na pokładzie amerykańskiego satelity Vanguard I, zainstalowano fotoogniwa, które zapewniały energię elektryczną do jego systemów pokładowych. Sukces Vanguard I otworzył drogę do szerokiego wykorzystania fotoogniw w przemyśle kosmicznym.

Rozwój technologii w latach 60. i 70.

W latach 60. i 70. XX wieku nastąpił dynamiczny rozwój technologii fotoogniw. Opracowano nowe typy fotoogniw, takie jak ogniwa monokrystaliczne, polikrystaliczne czy amorficzne, które pozwoliły na osiągnięcie wyższej sprawności i obniżenie kosztów produkcji. W miarę jak technologia stawała się coraz bardziej dostępna, zaczęła być wykorzystywana również na Ziemi, np. do zasilania pojedynczych domów czy małych systemów energetycznych.

Energetyka odnawialna w latach 80. i 90.

W latach 80. i 90. rośnie zainteresowanie fotowoltaiką jako źródłem energii odnawialnej. Wiele krajów zaczęło promować i wspierać rozwój technologii OZE, co przyczyniło się do dalszego wzrostu rynku fotoogniw. W wyniku tych działań, fotowoltaika zaczęła być coraz częściej wykorzystywana w projektach energetycznych na dużą skalę, takich jak elektrownie słoneczne czy mikrosieci energetyczne.

XXI wiek – era fotowoltaiki

Boom fotowoltaiczny

W XXI wieku nastąpił prawdziwy boom fotowoltaiczny. Spadające ceny modułów i rosnąca świadomość ekologiczna sprawiły, że fotowoltaika stała się jednym z najszybciej rozwijających się źródeł energii odnawialnej. Technologia ta zaczęła być masowo stosowana nie tylko w energetyce, ale także w innych sektorach, takich jak transport czy budownictwo.

Innowacje technologiczne

Wraz z rozwojem technologii fotoogniw, naukowcy opracowali również wiele innowacyjnych rozwiązań, takich jak panele fotowoltaiczne zintegrowane z architekturą budynków (BIPV), elastyczne moduły fotowoltaiczne czy ogniwa typu PERC (Passivated Emitter and Rear Cell), które pozwalają na osiągnięcie jeszcze wyższej sprawności i lepszego wykorzystania dostępnej przestrzeni.

Rodzaje fotoogniw

Fotoogniwa są kluczowym elementem systemów fotowoltaicznych, które przekształcają energię słoneczną bezpośrednio w energię elektryczną. W zależności od zastosowanego materiału półprzewodnikowego oraz struktury, możemy wyróżnić kilka podstawowych rodzajów fotoogniw.

Fotoogniwa krystaliczne

Fotoogniwa monokrystaliczne

Fotoogniwa monokrystaliczne są wykonane z jednorodnego kryształu krzemu. Charakteryzują się wysoką sprawnością rzędu 15-25%, co wynika z minimalnej ilości defektów i zanieczyszczeń w strukturze krystalicznej. Ze względu na doskonałe właściwości, fotoogniwa monokrystaliczne są najczęściej stosowane w systemach fotowoltaicznych o wysokim wymaganiu wydajności.

Fotoogniwa polikrystaliczne

Fotoogniwa polikrystaliczne składają się z wielu ziaren krystalicznych krzemu, które są wzajemnie połączone. Sprawność fotoogniw polikrystalicznych jest nieco niższa niż monokrystalicznych, wynosi od 13% do 20%. Mimo to, są one popularne ze względu na niższy koszt produkcji oraz lepsze właściwości w przypadku słabszego oświetlenia.

Fotoogniwa cienkowarstwowe

Fotoogniwa amorficzne

Fotoogniwa amorficzne wykorzystują cienką warstwę amorficznego krzemu, która pozbawiona jest regularnej struktury krystalicznej. Sprawność tych ogniw wynosi od 6% do 10%, jednak dzięki swojej cienkowarstwowej strukturze, są one elastyczne, lekkie i mogą być stosowane w różnorodnych zastosowaniach, takich jak elastyczne moduły czy BIPV (Building Integrated Photovoltaics).

Fotoogniwa na bazie tellurku kadmu (CdTe)

Fotoogniwa na bazie tellurku kadmu (CdTe) są również cienkowarstwowe, a ich sprawność wynosi od 9% do 12%. Są tańsze od ogniw krystalicznych, ale ich głównym ograniczeniem jest wykorzystanie kadmu, który jest toksycznym metalem ciężkim.

Fotoogniwa na bazie CIGS (Cu(In,Ga)Se2)

Fotoogniwa CIGS (Cu(In,Ga)Se2) to kolejny rodzaj ogniw cienkowarstwowych, charakteryzujących się sprawnością od 10% do 15%. Ich zaletą jest stosunkowo niski koszt produkcji oraz dobra wydajność w różnych warunkach oświetleniowych.

Fotoogniwa wielołączowe

ogniwa wielołączowe, znane również jako ogniwa wielowarstwowe lub tandemowe, to zaawansowane technologicznie ogniwa, które łączą w sobie różne materiały półprzewodnikowe. Dzięki temu mogą one lepiej wykorzystać różne długości fal światła słonecznego, co prowadzi do zwiększenia ich sprawności. Sprawność tych ogniw może przekroczyć 30%.

Ogniwa dwułączowe

Ogniwa dwułączowe składają się z dwóch warstw półprzewodnikowych, zwykle krzemu (Si) i arsenku galu (GaAs). Każda warstwa pochłania i konwertuje inne zakresy długości fal światła, co pozwala na lepsze wykorzystanie energii słonecznej.

Ogniwa trzyłączowe

Ogniwa trzyłączowe mają jeszcze wyższą sprawność niż ogniwa dwułączowe. Składają się z trzech warstw półprzewodnikowych, które skonfigurowane są tak, aby pochłaniać i konwertować różne zakresy długości fal światła. Materiałami używanymi w ogniwach trzyłączowych są m.in. krzem (Si), arsenek galu (GaAs) i inne materiały na bazie fosforku indowego (InP). Fotoogniwa wielołączowe są stosowane głównie w zaawansowanych zastosowaniach, takich jak systemy kosmiczne, elektrownie słoneczne o dużej mocy czy wysokowydajne systemy fotowoltaiczne na ziemi.

Zastosowania

W zależności od potrzeb oraz zastosowań, różne rodzaje fotoogniw mogą być wykorzystane w systemach fotowoltaicznych. Ogniwa krystaliczne (monokrystaliczne i polikrystaliczne) są najbardziej popularne ze względu na wysoką sprawność i szerokie zastosowanie. Ogniwa cienkowarstwowe, takie jak amorficzne, CdTe czy CIGS, są często stosowane ze względu na elastyczność i niższy koszt produkcji. Fotoogniwa wielołączowe to zaawansowane technologicznie ogniwa, które oferują najwyższą sprawność i są stosowane w specjalistycznych zastosowaniach.

Podsumowanie

W ciągu ostatnich kilku dekad, fotowoltaika przeszła długą drogę od pierwszych eksperymentów z fotoogniwami do stałego miejsca w sektorze energetyki odnawialnej. Dzięki ciągłemu rozwojowi technologii, różnorodności dostępnych rodzajów fotoogniw oraz innowacyjnym rozwiązaniom, fotowoltaika stała się jednym z kluczowych elementów globalnej strategii w zakresie zrównoważonego rozwoju i transformacji energetycznej.

Fotoogniwa pozwalają na efektywne wykorzystanie energii słonecznej, zmniejszają emisję gazów cieplarnianych i wspierają dążenie do samowystarczalności energetycznej. Wybór odpowiedniego rodzaju fotoogniwa zależy od wielu czynników, takich jak koszt, sprawność, zastosowanie czy wymagania estetyczne. Niezależnie od potrzeb, dostępne na rynku technologie umożliwiają korzystanie z energii słonecznej w różnorodnych formach, zarówno na dużą, jak i małą skalę.

W miarę jak będziemy dążyć do zwiększenia udziału energii odnawialnej w globalnym miksie energetycznym, fotoogniwa będą odgrywać coraz ważniejszą rolę. Ich potencjał, zarówno w kontekście zastosowań technologicznych, jak i wpływu na zmniejszenie emisji dwutlenku węgla, jest ogromny. W związku z tym, wiedza na temat różnych rodzajów fotoogniw oraz ich właściwości jest kluczowa dla zrozumienia możliwości, jakie niosą ze sobą w przyszłości.