Budowa ogniwa fotowoltaicznego - jak jest zrobione?

Ogniwo fotowoltaiczne (PV), nazywane też fotoogniwem, ogniwem solarnym lub ogniwem słonecznym, to urządzenie służące do bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Jako najmniejszy element, z którego zbudowane są panele słoneczne, pełnią w nich kluczowe zadanie, jakim jest produkcja energii elektrycznej. Ogniwa fotowoltaiczne, ze względu na niedużą moc, są zwykle łączone w większe moduły, a te z kolei w łańcuchy, czyli połączone szeregowo panele.

Jako pierwszy prototyp ogniwa słonecznego skonstruował w 1839 roku francuski fizyk, Alexandre-Edmun Becquerel. W wieku 19 lat Becquerel stworzył pierwszą na świecie komórkę fotowoltaiczną, eksperymentując w laboratorium swojego ojca z ogniwami elektrolitycznymi, do których przymocował anodę i katodę wykonaną z platyny. W ten sposób zmierzył on prąd płynący między tymi dwoma elektrodami. Zauważył, że praktycznie nie ma różnicy w natężeniu prądu w warunkach oświetlenia lub ciemności. Wówczas to właśnie odkrył podstawy fotowoltaiki, chociaż praktyczne wdrożenie nastąpiło dopiero kilka pokoleń później.

Do produkcji ogniwa PV najczęściej wykorzystuje się krzem w postaci płytek. Materiał ten, za sprawą swoich właściwości fizykochemicznych, stanowi doskonały inicjator zjawisk piezoelektrycznych zachodzących w panelu PV.  Ogniwa fotowoltaiczne dzielą się na:

• pierwszej generacji:

  • monokrystaliczne - o wysokiej sprawności i odporności na warunki atmosferyczne,

  • polikrystaliczne - coraz rzadziej spotykane z racji ograniczeń w produkcji, które sprawiają, że powyżej określonej mocy ich produkcja jest nieopłacalna, a ostatnio wyraźnie zauważyć można rynkową tendencję wzrostu mocy modułów,

• drugiej generacji - amorficzne - również rzadko stosowane. 

Budowa ogniw solarnych jest stosunkowo prosta. Pojedyncze ogniwo składa się z dwóch warstw: jednej ujemnie naładowanej i drugiej naładowanej dodatnio. Światło słoneczne, padając na ogniwo słoneczne, inicjuje reakcję fizyczną, na skutek której możliwe jest uzyskanie prądu stałego, później konwertowanego w prąd zmienny za pomocą falownika.

Moc ogniwa fotoelektrycznego uzależniona jest od jego wielkości. Najmniejsze ogniwa mogą wygenerować prąd o mocy około 1 W, a największe o mocy nawet około 7 W.  Ogniwa fotowoltaiczne łączy się równolegle i szeregowo w panele fotowoltaiczne. Tym samym moc takiego panelu fotowoltaicznego zależy od wielkości i ilości pojedynczych ogniw, z których ten został zbudowany.

Ogniwa fotowoltaiczne, z których zbudowane są panele fotowoltaiczne, zamieniają energię promieniowania słonecznego na energię elektryczną. W zależności od rodzaju półprzewodnika, z jakiego zbudowane są panele fotowoltaiczne, przekształcanie energii może być mniej lub bardziej wydajne. 

Zamiana energii możliwa jest dzięki wspomnianemu na początku artykułu zjawisku fotowoltaicznemu. Foton, czyli minimalna jednostka światła, pada na płytkę krzemową, z której zbudowane jest pojedyncze ogniwo solarne. Jednostka światła jest następnie pochłaniana przez krzem i wybija elektron ze swojej pozycji, zmuszając go tym samym do ruchu. Przemieszczenie się ładunków elektrycznych powoduje pojawienie się różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego. Za sprawą wykorzystania złącza półprzewodnikowego typu p-n, możliwe jest połączenie tego procesu z obiegiem elektronów w sieci energetycznej. W ten sposób energia świetlna zostaje przekształcona w elektryczną. 

Musimy przy tym mieć na uwadze fakt, że panele fotowoltaiczne produkują prąd stały. Aby więc móc korzystać z energii elektrycznej, konieczna jest instalacja falownika (inwertera), który zmienia prąd stały na zmienny. Dzięki temu możliwe jest wykorzystanie powstałej energii w gospodarstwie domowym, rolnym lub zakładzie produkcyjnym. Prąd generowany na skutek efektu fotowoltaicznego w ogniwie jest nie tylko ekologiczny, ale również tani. Może być wykorzystywany na bieżąco, a jego nadwyżki mogą zostać zmagazynowane w akumulatorze bądź rozliczone z zakładem energetycznym.

Wydajność całej instalacji fotowoltaicznej zależy od wielu czynników, a zwłaszcza od sprawności paneli. Sprawność ogniwa fotowoltaicznego, a zatem i całego układu modułów, jest stosunkiem ilości energii uzyskiwanej na wyjściu instalacji do energii promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię paneli. Im wyższa sprawność, tym lepsze efekty osiąga instalacja. 

Kluczowy wpływ na sprawność ogniw słonecznych ma materiał, z którego zostały wykonane. Ze względu na stopień uporządkowania struktury krystalicznej krzemu wyróżnić można trzy rodzaje ogniw fotowoltaicznych:

• ogniwa monokrystaliczne - droższe, zbudowane z krzemu o silnie uporządkowanej strukturze pozbawionej licznych defektów, cechujące się najwyższą efektywnością przetwarzania energii słonecznej w energię elektryczną, jak i sprawnością na poziomie 18-20%. 

• ogniwa polikrystaliczne - tańsze, charakteryzujące się nieco mniej uporządkowaną strukturą krzemu oraz większą liczbą skaz. Sprawność modułów fotowoltaicznych zbudowanych z polikryształów krzemu osiąga poziom 14-16%.

• ogniwa amorficzne - w przypadku których krzem nie ma postaci kryształu, przez co cechuje się chaotyczną strukturą z bardzo dużą liczbą wad. To z kolei wpływa na niższą sprawność modułów na poziomie 9-14%.

Wpływ na sprawność ma również rodzaj powłoki antyrefleksyjnej oraz jakość i rodzaj połączeń zastosowanych pomiędzy poszczególnymi ogniwami solarnymi. 

Ogniwa fotowoltaiczne wykazują największą efektywność w słoneczne dni, w umiarkowanym klimacie w okresie wiosny i lata. Zgodnie z szacunkami, od maja do września instalacja fotowoltaiczna jest w stanie pokryć do 120% zapotrzebowania na energię elektryczną.

Niezależność od dostaw energii elektrycznej, niższe koszty związane z opłatami za prąd oraz względy ekologiczne - to kluczowe powody, dla których instalacje PV, składające się z ogniw fotowoltaicznych, z każdym rokiem zyskują na popularności. Korzystanie z instalacji fotowoltaicznej, choć wymaga początkowych nakładów, jest praktycznie darmowe i oznacza długoterminowe korzyści finansowe. 

Masz pytania? Potrzebujesz więcej informacji? Skontaktuj się z nami