Zasada działania ogniw fotowoltaicznych

Ogniwo fotowoltaiczne – co rozumiemy pod tym pojęciem

W bardzo dużym skrócie ogniwo fotowoltaiczne to obiekt, w którym następuje przemiana energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną. Ową przemianę nazywamy również konwersją. Chociaż ogniwa fotowoltaiczne stanowią najmniejszą część paneli fotowoltaicznych, wiele od nich zależy. Do ich produkcji wykorzystuje się materiały półprzewodnikowe, z czego jednym z najpopularniejszych jest krzem. Warto pamiętać, że nazwy ogniwo fotowoltaiczne używa się zamiennie z takimi nazwami, jak ogniwo słoneczne, ogniwo fotoelektryczne czy fotoogniwo. Znaczą one praktycznie to samo.

O budowie ogniw fotowoltaicznych

Zanim przejdziemy do zasady działania ogniwa fotowoltaicznego, omówmy jego budowę. Ogniwo stanowi niezbędny i podstawowy element panela fotowoltaicznego. Jak już zostało wspomniane, najczęściej zbudowane jest z krzemu. Warto także mieć świadomość, że ogniwa wytwarza się również z selenu bądź germanu. Dlaczego?

Otóż są to tzw. materiały półprzewodnikowe. To właśnie one pozwalają, żeby w panelach doszło do przemiany energii promieni słonecznej w energię elektryczną. Jak dokładnie to się dzieje? Zacznijmy od półprzewodnikowego złącza p-n. Mamy tu do czynienia z dwiema warstwami – dodatnią (p) i ujemną (n). W górnej, skierowanej ku źródłu światła warstwie znajduje się nadmiar elektronów. Z kolei w dolnej warstwie – niedobór. Pod wpływem fotonów elektrony przemieszczają się z obszaru ujemnego (n – od angielskiego: negative) do obszaru dodatniego (p – positive). W efekcie pojawia się ruch elektronów, który jest niczym innym, jak przepływem prądu elektrycznego.

U podstaw działania ogniwa fotowoltaicznego stoi tzw. zjawisko fotowoltaiczne (także efekt fotowoltaiczny) odkryte i opisane już w 1839 roku przez Aleksandra Edmunda Becquerela. Na przestrzeni dziesiątków lat nauczyliśmy się wykorzystywać energię powstałą w procesie oddziaływania owego zjawiska. Trzeba tutaj pamiętać, iż prąd, który uzyskujemy w ogniwie, jest prądem stałym. W domu lub w biurze potrzebujesz natomiast prądu zmiennego. Dlatego do przekształcania stałej w zmienną stosuje się urządzenie zwane falownikiem bądź inwerterem. Stanowi ono istotny element każdej instalacji fotowoltaicznej.

Zasada działania ogniw fotowoltaicznych

Powyżej nakreśliliśmy kontekst powstawania energii elektrycznej w ogniwach fotowoltaicznych. Uzyskanie prądu elektrycznego uznajemy za główny cel pracy wspomnianych ogniw. Zasada ich działania opiera się na przyjmowaniu promieniowania słonecznego i przetworzenia go na prąd stały. Ważną rolę odgrywają w tym procesie fotony. Jak być może wiesz, powstają one w słońcu i są cząsteczkami promieniowania elektromagnetycznego.

W dalszej kolejności fotony zostają wchłonięte przez krzem obecny w ogniwie fotowoltaicznym. To tutaj elektron całkowicie pochłania energię fotonu. W tym momencie następuje przemieszczanie się oraz zmiana właściwości elektronu. Ten ruch uważa się właśnie za prąd elektryczny. Mamy wtedy do czynienia z faktyczną przemianą energii słonecznej w elektryczną. W ogólnym zarysie na tym też opiera się zasada działania ogniw fotowoltaicznych. W dalszej kolejności prąd stały zostanie przekształcony na prąd zmienny. Jest to kolejny etap, w którym kluczową rolę odgrywają wspomniane już inwertery.

Jakie korzyści niesie wykorzystanie ogniw

Głównym powodem, dla którego decydujemy się na korzystanie z rozwiązań fotowoltaicznych, jest ekologia oraz w dalszej perspektywie czasowej – możliwe oszczędności. Perspektywa finansowa jest oczywiście kusząca, jednak warto pamiętać, iż decydując się na panele fotowoltaiczne, przykładamy się do ograniczenia emisji zanieczyszczeń w naszym środowisku.

Innym istotnym aspektem jest trwałość paneli, w tym również ogniw fotowoltaicznych. Te mogą nam służyć nawet przez dziesiątki lat, a po upływie okresu gwarancyjnego w wielu przypadkach nie odnotujemy znacznego spadku wydajności urządzeń fotowoltaicznych. Ogniwa fotowoltaiczne nie wymagają zbyt częstej konserwacji, a to znów przełoży się na większe oszczędności.

Co jeszcze warto wiedzieć?

Obecnie mamy do czynienia z kilkoma generacjami ogniw fotowoltaicznych. Do pierwszej generacji należy chyba najbardziej znany podział na ogniwa mono i polikrystaliczne. Rozróżnienie to opiera się głównie o postać zastosowanego krzemu. W pierwszym typie jest to monokryształ krzemu (stąd nazwa typu paneli), w drugim zaś są to płytki krzemowe. Produkcja ogniw monokrystalicznych trwa dłużej, dlatego panele monokrystaliczne uchodzą obecnie za droższe, ale i bardziej wydajne. Panele polikrystaliczne to z kolei opcja tańsza, ale mniej wydajna, co przyczyniło się do obecnego spadku popularności tego rozwiązania. Zarówno jedne, jak i drugie należą do grupy ogniw grubowarstwowych.

Wśród ogniw drugiej generacji przeważają ogniwa amorficzne. Nazwa ogniw pochodzi od krzemu amorficznego, który wykorzystuje się w produkcji. Krzem amorficzny w porównaniu z krzemem krystalicznym posiada cieńszą warstwę. Stąd też wywodzi się określenie ogniw drugiej generacji jako ogniw cienkowarstwowych. Nie cieszą się one zbyt dużym zainteresowaniem rynkowym. Wprawdzie ich cena wydaje się zdecydowanie niższa, jednak sprawność oraz żywotność plasują drugą generację na zdecydowanie dalszych pozycjach w rankingu sympatii klientów.

Ogniwa trzeciej generacji znajdują się obecnie w fazie badań. Wiadomo już, że są oparte na odmiennych technologiach. Również odejście od złącz półprzewodnikowych p-n być może skłoni nas niebawem do przedefiniowania zasady działania ogniw fotowoltaicznych. Na ten moment wiemy jednak, że ogniwa tej generacji mają jeszcze dość niską sprawność, lecz zastosowana w niej technologia jest tania w produkcji, a same ogniwa są wytrzymałe i dobrze znoszą nieprzyjazne warunki.

Sprawność macierzy ogniw fotowoltaicznych

Chociaż skuteczność całej instalacji fotowoltaicznej zależy od wielu czynników (takich jak odpowiedni dobór falownika lub właściwe wykonanie okablowania), to najważniejszym wpływem na nią jest efektywność paneli. Sprawność ta określa, jak dobrze energia jest wykorzystywana w procesie przekształcania światła słonecznego na energię elektryczną. W przypadku instalacji fotowoltaicznej, efektywność ogniw fotowoltaicznych oraz całego zestawu modułów jest proporcją pomiędzy ilością energii uzyskiwanej ostatecznie z instalacji a ilością energii słonecznej padającej na powierzchnię paneli. Jest ona ściśle związana z charakterystyką prąd-napięcie ogniw fotowoltaicznych (a także całego modułu) i może zostać obliczona przy użyciu odpowiedniego wzoru:

• η – sprawność ogniwa
• I_mp – maksymalna wartość prądu z charakterystyki prądowo-napięciowej
• V_mp – maksymalna wartość napięcia z charakterystyki prądowo-napięciowej
• J – natężenie promieniowania padającego na ogniwo [W/m2]
• S – pole powierzchni ogniwa [m2]