Słońce jest w zasadzie niewyczerpanym źródłem tzw. czystej energii, które jest nadal niedoceniane. Szacuje się, że ilość energii uwięzionej w paliwach kopalnych (węglu, ropie naftowej i gazie ziemnym) wynosi 430 zettadżuli (430×10²¹). Mniej więcej tyle energii dociera ze Słońca na Ziemię w ciągu zaledwie 56 dni! 

Zjawisko fotowoltaiczne

Jako pierwszy zjawisko fotowoltaiczne zaobserwował w 1839 roku Alexandre Edmond Becquerel, który stwierdził, że niektóre materiały po wystawieniu na promieniowanie słoneczne może wytwarzać prąd. Jednak pierwsze ogniwo fotowoltaiczne powstało dopiero w 1954 roku. Początkowo droga technologia znajdowała zastosowanie w projektach NASA, ale ponad 200-krotny spadek cen ogniw od lat 70. XX wieku, sprawił, że technologia staje się coraz bardziej popularna. 

Światło wywołuje przepływ ładunków elektrycznych

Przetwarzanie światła słonecznego na energię elektryczną – to krótkie wyjaśnienie, które pojawia się w rozmowach o fotowoltaice. W zasadzie takie wyjaśnienie nie jest błędne, ale przy bliższym poznaniu tematu nie jest też do końca poprawne. Światło, a mówiąc precyzyjnie cząstki światła – fotony, nie są w nic przekształcane. Wywołują jedynie fizyczny efekt, który powoduje przepływ prądu elektrycznego. W tym sensie światło słoneczne to czynnik pomagający w wytwarzaniu energii elektrycznej, pytanie, w jaki sposób?

Przepływ prądu elektrycznego

W fizyce wszystko dąży do równowagi, dotyczy to również elektryczności. Pomiędzy ładunkiem dodatnim i ujemnym jest napięcie elektryczne, spowodowane różnicą potencjałów. Napięcie trwa, dopóki ładunki się nie wyrównają. Dobrym przykładem wyjaśniającym to zjawisko jest bateria. Gdy jest w pełni naładowana, między biegunem dodatnim a ujemnym występuje maksymalna wartość napięcia elektrycznego. Na biegunie ujemnym jest nadmiar elektronów (elektrony mają ładunek ujemny, czyli minus), z drugiej strony jest biegun dodatni, czyli niedobór elektronów. Podczas użytkowania baterii (np. w latarce) ładunki na biegunach powoli, acz stopniowo się równoważą, ponieważ elektrony migrują z bieguna ujemnego w kierunku dodatniego. Ta migracja to prąd elektryczny. Podczas korzystania z latarki napięcie w baterii stopniowo spada, aż w końcu całkowicie zniknie i bateria jest rozładowana. Trzeba przyznać, że analogia do baterii jest nie do końca odpowiednia, jeśli mówimy o ogniwa fotowoltaicznych, ale obrazuje zachowanie ładunków dodatnich i ujemnych, które występują również w procesie wytwarzania energii elektrycznej ze światła słonecznego.

Krzem jako półprzewodnik

Tutaj do gry wkracza krzem. Jest on otrzymywany z piasku kwarcowego, jako szary i błyszczący kryształ. Charakterystyczne właściwości krzemu sprawiają, że jest półprzewodnikiem. Jest w stanie transportować cząstki naładowane elektrycznie, czyli innymi słowy – przewodzić prąd. Przez półprzewodnik prąd elektryczny przepływa stosunkowo wolno, dlatego właśnie krzem dobrze sprawdza się w ogniwach fotowoltaicznych.

Sztuczka producentów ogniw

Jeśli spojrzymy na panele fotowoltaiczne na dachu, widzimy głównie niebieskoczarną powierzchnię. Ten kolor pochodzi od krzemu. Jeśli pominiemy aluminiową ramkę i pokrywę szklaną modułu słonecznego, rzeczywista – aktywna na światło – część panelu jest wyjątkowo cienka. Taki panel składa się z licznych ogniw silikonowych wielkości dłoni, których grubość wynosi zaledwie pół milimetra, ale o to chodzi, ponieważ mają umożliwić przepływ prądu. Jak wspomniano we wstępie, prąd płynie tylko wtedy, gdy występuje napięcie między ładunkiem dodatnim a ujemnym. Jednak ono nie występuje samorzutnie (naturalnie) w ogniwie krzemowym. Tutaj producenci stosują specjalną sztuczkę. Pokrywają obydwie strony ogniwa ładunkiem dodatnim i ujemnym. W ten sposób na górnej stronie jest nadmiar elektronów (ładunek ujemny), podczas gdy na spodzie jest niedobór elektronów (ładunek dodatni). To wytwarza napięcie (choć niewielkie) między górną a dolną stroną panelu. Na dachu strona naładowana ujemnie jest skierowana w stronę światła, a naładowana dodatnio skierowana w stronę dachu. Jednak to sztucznie wywołane napięcie jeszcze nie powoduje przepływu prądu, do tego potrzebne jest światło. Energia cząsteczek światła (fotonów) stymuluje ujemnie naładowane elektrony w górnej części ogniw słonecznych (efekt fotowoltaiczny). Elektrony migrują na dno ogniwa, do ładunku dodatniego. W ten sposób generowany jest elektryczny prąd stały.

Technologia poli– i monokrystaliczna

Większość ogniw fotowoltaicznych jest wykonana z krzemu polikrystalicznego, który na dachu połyskuje ciemnoniebieskim kolorem. Z kolei ogniwa wykonane z droższego krzemu monokrystalicznego mienią się na czarno. Różnica między tymi dwoma typami polega na tym, że monokrystaliczny krzem ma jednolitą sieć krystaliczną. Natomiast krzem polikrystaliczny ma sieci krystaliczne o różnych rozmiarach i kształtach.

Moduły cienkowarstwowe

Coraz większe znaczenie zyskują moduły cienkowarstwowe, wykonane z amorficznego lub nanokrystalicznego krzemu. Tutaj formy krystaliczne są tak małe, że struktury są nierozpoznawalne (bezpostaciowe).

Budowa ogniw fotowoltaicznych

Ogniwa słoneczne, wykonane z krzemu monokrystalicznego lub polikrystalicznego, są zbudowane w następujący sposób: wierzchnią warstwę stanowi szkło hartowane, które wytrzymuje nawet silny grad. Poniżej znajdują się poszczególne ogniwa słoneczne wykonane z krzemu mono- lub polikrystalicznego. Są osadzone w tworzywie sztucznym i połączone ze sobą taśmami (tzw. busbarami), zbierającymi ładunki elektryczne. Tył jest pokryty wodoodporną folią z tworzywa sztucznego i uszczelniony. Całość zamknięta jest w solidnej aluminiowej ramie. Pozornie wszystkie panele słoneczne są takie same – ale tak nie jest. Ich wydajność jest różna, choć zmienia się w małym zakresie.

Najsłabsze ogniwo

Należy jednak zauważyć, że wydajność modułu zależy od najsłabszego ogniwa, więc problem pojawia się, gdy jedno z nich ulegnie awarii lub zostanie zakryte przez opadające liście. Kłopotliwy może też być cień pobliskiego drzewa lub budynku, który ogranicza dostęp światła.

Dioda zabezpieczająca przed przegrzaniem

Ze względów bezpieczeństwa każde ogniwo w szeregu jest wyposażone w diodę jednokierunkową (zwaną także diodą bocznikującą lub by-passem). Zapobiega on przegrzaniu w przypadku awarii ogniwa. Taki „punkt zapalny” (gorący punkt) powstaje, gdy sprawne ogniwa wysyłają ładunki elektryczne do uszkodzonego ogniwa, które nie przekazuje ich dalej. Nagradzanie ładunku powoduje wzrost temperatury i przegrzanie. Dzięki zastosowaniu diody bocznikowej (by-pass) ładunki elektryczne omijają uszkodzone ogniwo i nie trzeba wyłączać całego panelu. Działa on nadal, a jego efektywność spada tylko o to jedno uszkodzone ogniwo.

Ogniwo fotowoltaiczne na samochodzie

W ostatnich latach wzrasta zainteresowanie modułami cienkowarstwowymi. W takim przypadku aktywna na światło warstwa półprzewodnika jest wielokrotnie cieńsza niż w modułach krystalicznych. W rzeczywistości jest cienka jak folia i wystarczy ją osadzić na nośniku (np. na szybie samochodowej lub na oknie w domu). Warstwa składa się z amorficznego krzemu, diselenku miedziowo-indowego albo tellurku kadmu. Moduły cienkowarstwowe z amorficznego krzemu oferowane są w jednej, dwóch i trzech warstwach. Każda z nich jest zaprojektowana dla innej długości fali świetlnej, dzięki czemu korzysta z promieni świetlnych w szerokim zakresie długości fali (różne kolory światła).

Plusy modułów cienkowarstwowych

Ogniwa krystaliczne i moduły cienkowarstwowe mają różne właściwości. Ogniwa krystaliczne mają sprawność wyższą od 10 do 18%. Krótko mówiąc, z takie samej powierzchni można uzyskać więcej prądu. Jednak zaletą modułów cienkowarstwowych jest to, że mogą one lepiej wykorzystywać światło rozproszone przy braku światła bezpośredniego. W efekcie lepiej niż standardowe ogniwa radzą sobie przy trudniejszych warunkach nasłonecznienia i są mniej wrażliwe na zacienienie. Tym bardziej, że przy zacienieniu fragmentu ogniwa krystalicznego panelu wyłączają się ze względów bezpieczeństwa. Ponadto wydajność ogniw cienkowarstwowych, przy wysokich temperaturach latem, nie spada tak szybko, jak ogniw krystalicznych. 

Starzenie się ogniw

Różna jest również utrata wydajności, związana ze starzeniem ogniw (degradacja). Ogniwa krystaliczne każdego roku tracą ok. 0,2% wydajności. Z kolei ogniwa amorficzne tracą do 20% wydajności w ciągu pierwszych 3 do 5 miesięcy, ale później pozostają na stałym poziomie. Każda z technologii ma swoje plusy i minusy, ale obecnie zdecydowana większość rynku fotowoltaicznego bazuje na ogniwach mono– i polikrystalicznych.

Artykuł „Jak działa ogniwo fotowoltaiczne” prezentujemy w „profi” 2-2021. 

opr. aj