Fotowoltaika czym jest, jak działa oraz z czego się składa?

Fotowoltaika (Photovoltaics) – słowo i termin pochodzi od dwóch słów – “photon” oznacza najmniejszą jednostkę energii słonecznej oraz “voltaic” oznaczającego napięcie, które tworzy się wskutek padających fotonów. Otrzymujemy więc określenie elektryczności pochodzącej z energii słońca.

Początki fotowoltaiki sięgają już XIX wieku kiedy francuski uczony Becquerel odkrył efekt fotowoltaiczny, czyli efekt powstania siły elektromotorycznej pod wpływem działania promieniowania słonecznego. Pierwsze ogniwo fotowoltaiczne powstało już w 1883 roku, wykonane zostało z półprzewodnikowego selenu z cienką warstwą złota. Co ciekawe, sprawność urządzenia wynosiła zaledwie 1%, ale był to pierwszy krok do rozwoju fotowoltaiki, który przyczynił się do tego, dzięki czemu możemy teraz oszczędzać i produkować ją sami! 

Efekt fotowoltaiczny został naukowo wyjaśniony w roku 1905 również rzez Alberta Einsteina. W swojej pracy uznał on, że światło słoneczne posiada falowo-korpuskularny charakter. Oznacza to, że światło należy traktować jako fale rozchodzące się w przestrzeni z pewną częstotliwością, lub jako strumień fotonów (kwantów). Dzięki temu odkryciu, Einstein został laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 1921 roku.

Budowa i produkcja

Zacznijmy od tego, jak zbudowana jest fotowoltaika, wiele razy widzimy już produkt i efekt końcowy, a co kryje się pod tymi elementami? 

Moduły fotowoltaiczne składają się z kilku połączonych ze sobą ogniw fotowoltaicznych, wykonanych z materiałów półprzewodnikowych, którym najczęściej jest krzem.  Aby mógł być wykorzystany w fotowoltaice, musi zostać oczyszczony. Następuje to w wyniku procesów chemicznych zachodzących w temperaturze ok. 1800°C! Powstały w ten sposób polikrzem, który nie ma jeszcze struktury jednolitego kryształu, może zostać zastosowany do produkcji ogniw z krzemu krystalicznego. Otrzymany w obróbce blok krzemu o wymiarach  ok. 2 m x ok. 20 cm ma kształt walca. 

Produkcja ogniw multikrystalicznych (polikrystalicznymi) odbywa się w podobny sposób. Kruszonkę polikrzemową roztapia się w tyglu, który ostatecznie zostawia się do ostygnięcia. Krzem jako materiał krystaliczny, podczas stygnięcia, przechodząc z fazy ciekłej (amorficznej) do fazy stałej, ulega samoistnej krystalizacji. Ponieważ w tyglu nie ma żadnego zarodka i proces krzepnięcia jest samoistny, powstaje wiele kryształów (dlatego powstała nazwa multi).

W obu przypadkach uzyskane bloki krzemowe są przycinane, tak by uzyskać odpowiedni kształt. Później taki krzemowy blok jest umieszczany w maszynie, która tnie go diamentowymi piłami na płytki o grubości ok. 200 μm. Powierzchni płytki nadaje się odpowiednią teksturę, która przyczynia się do zwiększenia wydajności oraz nanosi się na nią warstwę antyrefleksyjną. Ostatnią czynnością przy produkcji ogniwa fotowoltaicznego jest nadrukowanie na jego powierzchni elektrod metalowych.

Podział ogniw

Wyróżniamy podziały: 

  • Krzemowe krystaliczne: monokrystaliczne, multi(poli)krystaliczne oraz ich odmiany
  • Cienkowarstwowe CIGS, CdTe, a:Si

 

Zasada działania ogniw fotowoltaicznych

Zasada działania ogniwa fotowoltaicznego na przykładzie technologii krzemu krystalicznego, przedstawiona na grafice wyżej. Czego możemy się z niej dowiedzieć? 

Proces zamiany energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną nosi nazwę konwersji fotowoltaicznej. Ogniwo fotowoltaiczne czyli np. krzemowa płytka półprzewodnikowa, wewnątrz której istnieje bariera potencjału (pole elektryczne), w postaci złącza p-n (positive – negative). Padające na fotoogniwo promieniowanie słoneczne wybiją elektrony z ich miejsc w strukturze atomów krzemu, tworząc pary nośników o przeciwnych ładunkach (elektron z ładunkiem ujemnym oraz „dziura” {czyli brak elektronu} z ładunkiem dodatnim, powstała po jego wybiciu). Ładunki te zostają następnie rozdzielone przez istniejące na złączu p-n (positive – negative) pole elektryczne, powstaje różnica potencjałów elektrycznych, czyli napięcie, które przenoszone jest i wykorzystywane np. w naszym urządzeniu elektrycznym! Rozdzielone nośniki są nośnikami nadmiarowymi (mają nieskończony czas życia), a napięcie na złączu p-n jest stałe, oświetlone złącze działa jako ogniwo elektryczne, czyli takie, w którym źródłem prądu są reakcje chemiczne zachodzące między elektrodą a elektrolitem.

Aby instalacja funkcjonowała prawidłowo, konieczne jest zastosowanie urządzenia o nazwie falownik, który traktowany jest jako “mózg” instalacji. Jego zadaniem jest kontrola przepływu energii oraz zmiana wytworzonego prądu stałego na zmienny. Prąd taki znajduje się w gniazdach elektrycznych w naszym domu i wykorzystywany jest do uruchomienia wszelkich urządzeń elektrycznych.

Chcesz zamontować panele w swoim domu?

Chcesz otrzymać dofinansowanie?

Napisz do nas!

kontakt@doradcyenergetyczni.com.pl  / +48 22 370 29 70

__________

Doradcy Energetyczni Sp. z o.o. to firma działająca od 2012 r. w całym kraju poprzez sieć doradców klienta i centralne biuro w Warszawie. Nasz zespół liczy 100 doświadczonych doradców energetycznych. Od 2012 doradzaliśmy ponad 3 000 klientom – o łącznym wolumenie ponad 1 000 GWh. Posiadamy kompleksową ofertę dla firm oraz osób prywatnych z zakresu: FOTOWOLTAIKA / GAZ / PRĄD / AUDYT 

__________