Popularnie nazywane “panele solarne” to w rzeczywistości panele fotowoltaiczne składające się z odpowiednio połączonych ogniw fotowoltaicznych. Ogniwo takie jest elementem zmieniającym światło słoneczne bezpośrednio w energię elektryczną. Pomimo ograniczonej sprawności, jest to i tak najlepszy sposób wytworzenia darmowej elektryczności ze słońca.

Jak to działa, czyli zjawisko fotoelektryczne.

1. Teoria.

Wydawać by się mogło, że żyjąc w XXI wieku powinniśmy doskonale rozumieć mechanizmy działające w otaczającym nas świecie. W zasadzie tak jest, choć trzeba przyznać, że natura światła jest dość pokrętna i spędza sen z powiek naukowcom.
Albert Einstein twierdzi, że światło ma naturę falowo-korpuskularną, czyli jest jednocześnie rozchodzącą się falą jak i strumieniem cząsteczek – fotonów. Brzmi trochę dziwnie ? Tak, ale tak już przyjęliśmy i na tą chwilę tak jest.
Mówiąc krótko, jeśli Słońce świeci, to oznacza że wyrzuca w naszą stronę fotony oraz wytwarza fale rozchodzące się w przestrzeni z daną częstotliwością.

2. Praktyka.

Do wyjaśnienia efektu fotoelektrycznego interesują nas tylko fotony. Cząstki te trafiając na ogniwo fotoelektryczne zderzają się z elektronami, przekazując im całą swoją energię. Jeśli energia ta była odpowiednio duża, nastąpi wybicie elektronów z orbit elektronowych czyli fotoemisja. W efekcie tych zderzeń i wybijania elektronów powstają “dziury”, czyli miejsca w których brakuje elektronów i “wolne elektrony” uzyskujące ładunek dodatni.

Nasuwa się pytanie, czy każdy materiał tak się zachowuje pod wpływem światła ? Otóż nie, efekt fotoelektryczny zachodzi szybciej w atomach posiadających dużą liczbę elektronów walencyjnych, czyli poruszających się na powłoce znajdującej się najdalej jądra atomowego.
Istnieje na Ziemi bardzo popularny pierwiastek, składnik zwykłego piasku, jest nim krzem. Ma on aż cztery elektrony walencyjne na ostatniej powłoce, które doskonale nadają się do wybijania poprzez strumień fotonów.

Tak się jednak składa, że krzem jako taki nie jest dobrym przewodnikiem prądu, więc do zastosowań technicznych stosuje się modyfikowany krzem do stanu półprzewodnika typu P i N.
Nie wnikając w szczegóły procesu technologicznego, czysty krzem domieszkuje się pierwiastkami posiadającymi pięć elektronów walencyjnych dla uzyskania półprzewodnika typu N oraz pierwiastkami trzy wartościowymi dla półprzewodnika typu P.

W wyniku wzrostu kryształów uzyskujemy jeden półprzewodnik ze sporą liczbą elektronów podatnych na wybicie i wędrówkę oraz drugi półprzewodnik z pustymi miejscami, które chętnie wchłaniają nadmiar elektronów.
Jak nie trudno się domyślić, gdy połączy się ze sobą jeden i drugi półprzewodnik, zaczyna między nimi płynąć słaby prąd. Niestety jego wartość jest na tyle mała, że dla nas zupełnie bezużyteczna. Sytuacja zmienia się diametralnie, jeśli na taki układ panie światło, wówczas dzięki energii fotonów różnica potencjałów gwałtownie wzrasta i pojawia się napięcie, które można już realnie wykorzystać. To właśnie jest efekt fotoelektryczny.

Konstrukcja ogniwa fotowoltaicznego.

Pojedyncze ogniwo ma kształt kwadratu o wymiarach od 10×10 cm do 15×15 cm. Składa się z dwóch połączonych ze sobą warstw półprzewodników – typu P i typu N. Do odbioru energii elektrycznej z takiego ogniwa służą elektrody – dodatnia jest wykonana z warstwy metalicznej na spodzie ogniwa, natomiast ujemna, od frontu, wykonana jest w formie siatki.

Ogniwo takie jest w stanie wygenerować moc od 1 do 7 W, w praktyce nie przekracza jednak 4W. W celu uzyskania większej mocy jak również różnych napięć, ogniwa łączy się szeregowo lub równolegle w baterie ogniw zwane panelami solarnymi.

Rodzaje ogniw fotowoltaicznych.

W tej dziedzinie techniki panuje ciągły rozwój i badania, na chwilę obecną najpopularniejsze są cztery rodzaje ogniw, opisane poniżej. Dzielą się one głównie na I i II generację, czyli krzemowe monokrystaliczne i polikrystaliczne oraz te nie wykonane z krzemu tylko z innych materiałów. Rodzaje ogniw różnią się kształtem, wyglądem, kolorem, można je więc łatwo rozpoznać i rozróżnić.

1. Ogniwa krzemowe monokrystaliczne.

Obecnie najpopularniejszy typ ogniw, zwane też grubowarstwowymi z uwagi na grubość płytek krzemowych mieszczącą się w zakresie 0,1 – 0,3 mm. Posiadają najwyższą sprawność energetyczną sięgającą 22 % oraz długą żywotność – sięgającą 25 lat.

Wykonuje się je poprzez “wyhodowanie” ogromnego kryształu krzemu. W procesie tym, zwanym metodą Czochralskiego, wokół zarodka kryształu w postaci pręta wyrastają nowe struktury krystaliczne. Produkcja monokryształu krzemu odbywa się w wysokiej temperaturze, a dla uzyskania jednorodnego rozkładu, pręt stale się obraca.

Po uzyskaniu monokryształu krzemu w formie walca, jest on laserowo cięty na wafle grubości około 0,2 mm. Analogiczną metodą, przez zmianę domieszek, uzyskuje się płytki typu N i typu P.

Całe ogniwo fotowoltaiczne monokrystaliczne składa się z dwóch płytek (P-N) połączonych ze sobą. Jako, że powierzchnia krzemu jest połyskliwa i odbija od siebie światło słoneczne, nanosi się cienką warstwę lakieru przeciwodblaskowego.
W kolejnym etapie procesu produkcji nanosi się elektrody w formie cienkich pasków folii aluminiowej. Tak wykonana “kanapka” zabezpieczana jest warstwą folii organicznej EVA dla uzyskania hermetyczności i odporności na warunki atmosferyczne. Dzięki tym zabiegom, żywotność paneli fotowoltaicznych sięga 25 lat.

2. Ogniwa polikrystaliczne.

Stanowią tańszą alternatywę dla ogniw monokrystalicznych. Składają się z mniejszych płytek krzemowych o nieregularnej strukturze krystalicznej. W procesie produkcji, drobne płytki stapiane są w wysokiej temperaturze w prostokątnych formach. Tak uzyskane bloki cięte są na mniejsze plastry. Kolejne etapy wytwarzania ogniw są analogiczne do monokrystalicznych – nanoszone są elektrody i całość zabezpieczana jest folią antyodblaskową i zabezpieczającą.

Sprawność ogniw polikrystalicznych jest minimalnie niższa i wynosi około 15-18%, jednakże z powodu niższej ceny są one powszechnie stosowane do budowy systemów fotowoltaicznych.

 

 

 

3. Ogniwa II generacji – CDTE, CIGS, ASI

Zwane też ogniwami cienkowarstwowymi. Do ich budowy używa się również półprzewodników typu P i N, jednakże nie na bazie krzemu, tylko tellurku kadmu (CDTE), krzemu amorficznego (ASI) lub mieszaniny miedzi, indu, galu i selenu (CIGS).

Proces produkcji polega na napylaniu bądź naparowywaniu substancji na płytkę bazową, w wyniku czego otrzymuje się warstwy o grubościach 0,001 – 0,08mm. Dzięki znacznej redukcji używanego materiału półprzewodnikowego, ogniwa te są bardzo tanie w produkcji.

4. Ogniwa III generacji.

Póki co są to rozwiązania nowatorskie, wciąż badane i rozwijane. Ogniwa takie nie posiadają typowego złącza P-N, a energia w nich uzyskiwana jest dzięki procesom np. organicznym.
Dopóki rozwiązania te nie będą przebadane, nie mają zastosowań praktycznych.