Co to jest fotoogniwo?

Co to jest fotoogniwo?

Co to jest fotoogniwo?

W dzisiejszych czasach dużo mówi się o najmniejszych i jednocześnie najważniejszych elementach paneli/modułów fotowoltaicznych, czyli o ogniwach. Jednak mimo to, nadal niewiele osób wie, co to jest fotoogniwo, jakie są jego rodzaje, budowa oraz zasada działania. Zaczynając od podstaw…

Ogniwa fotowoltaiczne są półprzewodnikami, przetwarzającymi energię pochodzącą z promieniowania słonecznego w tradycyjną – elektryczną. Coraz częściej mówi się o nich jako o urządzeniach przemieniających światło. Charakteryzują się niezwykłymi właściwościami fizycznymi, które w momencie padania na nie promieni słońca, powodują powstanie tzw. zjawiska fotowoltaicznego. Najczęściej w ich składzie znajdują się pierwiastki, tj.:

  • krzem, 
  • german, 
  • selen. 

Stanowią nie tylko ekologiczny, ale również ekonomiczny sposób zaspokajający zapotrzebowanie na prąd.

​Budowa

W budowie ogniw fotowoltaicznych najważniejszą rolę odgrywa płytka krzemowa. Dzięki głównemu pierwiastkowi w niej występującemu przyczynia się do wykazywania przez fotoogniwo właściwości półprzewodnikowych. Ponadto ze względu na dosyć sporą ilość elektronów walencyjnych występujących w atomie (cztery na ostatniej powłoce) zapewnia szybsze wystąpienie zjawiska fotoemisji. Liczba ta zwiększa się po połączeniu krzemu z innymi cząsteczkami. Najczęściej jest to selen albo german. 

Zgodnie z zasadami, większość obecnie produkowanych ogniw słonecznych opiera się na dwóch złączach półprzewodnikowych typu p-n. Cienka i jednocześnie przezroczysta górna warstwa, w postaci siatki, z powłoką antyrefleksyjną naładowana jest ujemnie. Natomiast tą, umiejscowioną na dole jako metalową płytkę o dodatnim ładunku, charakteryzuje zdecydowanie większa grubość. Obie części oddziela bariera potencjałów, utworzona ze złącza p-n. Niektóre ogniwa mogą mieć dodatkową warstwę PERC, umieszczoną od spodu. Stanowi ona pewnego rodzaju dielektryk, będący izolatorem elektrycznym na zasadzie reflektora. Promieniowanie słoneczne, które dotarło do dolnej części płytki i nie wytworzyło elektronu, pozwala na utworzenie nadwyżki energii elektrycznej spowodowanej przez zjawisko odbicia. W wyniku reakcji fizycznej zainicjowanej przez światło słoneczne, wyprodukowany zostaje prąd stały, który za pomocą falownika (rodzaj przetwornika) może zostać przekonwertowany na zmienny.

Stosunkowo prosta budowa umożliwia tworzenie fotoogniw krzemowych o różnej wielkości (od 4 x 4 cm do 15 x 15 cm), które można łączyć ze sobą zarówno równolegle, jak i szeregowo w moduły fotowoltaiczne. Ich moc jest ściśle powiązana z wymiarami i liczbą pojedynczych ogniw. Najmniejsze z nich są w stanie wygenerować 1 W energii elektrycznej, a największe około 7 W. 

​Zasada działania

W przypadku ogniw fotowoltaicznych, promieniowanie słońca traktuje się jako strumień fotonów (kwantów), niosących energię słoneczną. W momencie zderzenia się z elektronami, w przypadku osiągnięcia odpowiedniej wartości następuje zjawisko fotoemisji. W trakcie jego trwania, elektrony wybijane są z orbit atomowych, które w wyniku ich utraty uzyskują dodatni ładunek, a miejsce po nich, zwane dziurą – ujemny. Dzięki przemieszczaniu się ładunków powstaje różnica potencjałów, czyli napięcia, wytworzonego przez zamianę energii słonecznej w elektryczną. Dzięki temu pozyskuje się prąd stały, który po przekazaniu do konwertera można przekształcić na zmienny, stosowany do zasilania różnego typu urządzeń. Inwerter (zwany również falownikiem) zapewnia prawidłową pracę paneli fotowoltaicznych, dostosowując uzyskane parametry prądowe do tych z sieci domowej. Natomiast licznik dwukierunkowy dba o efektywne korzystanie z energii słonecznej. Jego wymianą powinien zająć się zakład energetyczny, w ciągu trzydziestu dni od zgłoszenia instalacji.

​Rodzaje ogniw

Wybór ogniwa fotowoltaicznego może wydawać się na początku trudny. Podczas planowania inwestycji, oprócz własnych potrzeb i preferencji, należy zwrócić szczególną uwagę na:

  • zastosowaną technologię,
  • efektywność,
  • odporność na wszelkiego rodzaju uszkodzenia mechaniczne, a także na czynniki zewnętrzne, np. warunki atmosferyczne,
  • gwarancję daną przez producenta.

Podstawowy podział składa się z trzech generacji fotoogniw:

  • pierwsza:
    • monokrystaliczne,
    • polikrystaliczne,
    • amorficzne,
  • druga:
    • cienkowarstwowe,
  • trzecia:
    • nieposiadające klasycznego złącza typu p-n.

Wyżej wymienione ogniwa różnią się między sobą nie tylko budową, ale także właściwościami. Ze względu na swoją wydajność i wytrzymałość, największą popularnością cieszą się czarne.

​Ogniwa 1 generacji

​Monokrystaliczne

Zapewniają dużą produkcję energii elektrycznej przy wykorzystaniu zaledwie niewielkiej powierzchni. Wyróżnia je wysoka trwałość oraz odporność na niekorzystne warunki pogodowe. W uzyskaniu popularności pomogło im zastosowanie kryształu krzemu o jednolitej, ciemnej barwie. Najbardziej pożądana wersja to ta, w której pozostałe elementy instalacji wykonane zostały w kolorze czarnym.  

​Polikrystaliczne

Mają niższą cenę. Ich sprawność waha się w przedziale 14-18%. Mają charakterystyczną niebieską barwę, która pod wpływem światła się mieni. Wyglądem przypominają kolektory słoneczne. Zbudowane zostały z wielu kryształów krzemu. 

​Amorficzne

Do ich produkcji używany jest krzem niekrystaliczny o kolorze niebieskim. Są tanie, lekkie i elastyczne, jednak ich sprawność najczęściej określa się na poziomie 6-10%, a żywotność wynosi zaledwie 10 lat.

​Ogniwa 2 generacji

Nazywane są ekologicznymi fotoogniwami cienkowarstwowymi, powstałymi z perowskitu. Zbudowane na podstawie złącza typu n-p z:

  • tellurku kadmu,
  • mieszaniny miedzi,
  • indu,
  • galu,
  • selenu,
  • krzemu amorficznego.

Stanowią innowacyjną alternatywę dla ogniw pierwszej generacji, wykonanych z krzemu krystalicznego. Proces ich produkcji polega na napylaniu, naparowywaniu i epitaksji. Występują w wersji transparentnej. Są lekkie, elastyczne oraz cienkie, dzięki czemu nadają się do zintegrowania z pokryciami dachów oraz fasadami nowoczesnych budynków biurowych, domów jednorodzinnych i bloków mieszkalnych. Ze względu na niewielką grubość (maksymalnie kilka mikrometrów) mogą być montowane na elewacjach.

​Ogniwa 3 generacji

Nie mają klasycznego złącza p-n. Niestety ich cechą charakterystyczną jest niska sprawność oraz krótki czas pracy. Najbardziej znane rodzaje fotoogniw trzeciej generacji to:

  • wysokosprawne, wielozłączowe struktury półprzewodnikowe,
  • ogniwa:
    • w okładach koncentrujących światło (koncentratory PV),
    • uczulane barwnikiem,
    • organiczne (OPV),
    • inne, np. perowskitowe.