Ogniwa fotowoltaiczne to jeden z podstawowych elementów składających się na urządzenia fotowoltaiczne. To tutaj zachodzi zjawisko wychwytywania energii słonecznej, którą następnie można przekształcić w energię elektryczną o odpowiednim napięciu, natężeniu i częstotliwości.
Z czego jest zrobiony, jak działa, co dokładnie się z nim dzieje?
Ogniwa fotowoltaiczne znane są pod różnymi nazwami: ogniwa fotowoltaiczne, ogniwa słoneczne lub ogniwa fotowoltaiczne. Bez względu na nazwę jedno jest pewne – to podstawowe elementy składowe paneli fotowoltaicznych. Aby przebiegał w nich prawidłowy proces zamiany energii słonecznej na elektryczną, muszą być one wykonane z materiałów półprzewodnikowych. Zwykle są to krzem, selen lub german.
Ogniwa są połączone szeregowo (szeregowo), więc otrzymujemy ogniwa słoneczne.
Mówiąc prościej, ogniwa fotowoltaiczne składają się z dwóch warstw półprzewodników. Pierwsza na wierzchu to cienki, bezbarwny lakier. Nad nią znajduje się elektroda ujemna oraz powłoka antyrefleksyjna. Dno to biegun dodatni. Druga warstwa, dolna warstwa jest grubsza. W oparciu o złącze p-n, czyli zewnętrzny półprzewodnik, obie warstwy oddzielone są odpowiednią barierą potencjału. Taka konstrukcja jest niezbędna do prawidłowego działania systemu.
Czytaj więcej: Jakie kable najlepsze do paneli fotowoltaicznych?
Ogniwa polikrystaliczne
Ogniwa polikrystaliczne - zwykle wytwarzane przez odlewanie w tyglu (zdjęcie po lewej). Surowiec krzemowy topi się w tyglu w kształcie prostopadłościanu, tworząc dużą masę krzemu. Następnie kroi się go w prostopadłościany, a następnie w plastry („wafle”) o grubości mniejszej niż 0,2 mm. W porównaniu do metody Chochralskiego koszty produkcji są dużo niższe i zużywa się mniej energii, więc są tańsze od krzemu monokrystalicznego, ale mniej wydajne. Są koloru niebieskiego i mają wyraźnie zarysowane kryształy krzemu przypominające szron.
komórki drugiej generacji
Ogniwa II generacji
Również bazują na strukturze n-p, ale zamiast krzemu krystalicznego są mieszaninami np. tellurku kadmu (CdTe), miedzi, indu, galu, selenu (CIGS) czy krzemu amorficznego (a-Si).
Charakteryzują się bardzo małą grubością warstwy półprzewodnikowej pochłaniającej światło, zwykle pomiędzy 0,001-0,08mm, stąd nazwa baterii cienkowarstwowej. Są znacznie tańsze w produkcji, a cały proces jest bardziej zautomatyzowany, dzięki drastycznemu zmniejszeniu zużycia półprzewodników. Ogniwa fotowoltaiczne drugiej generacji nie posiadają ściśle określonych materiałów wykonania.
Ogniwa III generacji
Nie mają już klasycznego złącza p-n, mechanizm powstawania w nich ładunków jest charakterystyczny dla danego procesu i rozwiązania i jest nowatorski. Obecnie istnieje co najmniej pięć rodzajów tych komórek:
- ogniwa w układach koncentrujących światło (koncentratory PV)
- wysokosprawne wielozłączowe struktury półprzewodnikowe
- ogniwa uczulane barwnikiem
- ogniwa organiczne OPV
- inne ogniwa np. perowskitowe
Baterie trzeciej generacji nie są jeszcze szeroko stosowane, ponieważ wciąż mają krótki czas działania i często są bardzo nieefektywne.
Sprawdź również: Panele fotowoltaiczne – jaki jest optymalny kąt nachylenia i ustawienie?
Jak zbudowane są ogniwa fotowoltaiczne?
Ogniwa fotowoltaiczne zbudowane są z płytek krzemowych. Elektroda kolektora (elektroda ujemna w kształcie siatki) umieszczona jest na jego górnej powierzchni, a elektroda transmisyjna (elektroda dodatnia w kształcie metalowej płytki) na jej dolnej powierzchni. Górna warstwa krzemu „n” (ujemnego) jest oddzielona od dolnej warstwy krzemu „p” (dodatniego) półprzewodnikowym złączem „p-n”. Dlatego budowa ogniw fotowoltaicznych jest stosunkowo prosta.
Poszczególne ogniwa krzemowe mogą mieć różne rozmiary: od 4×4 cm do 15×15 cm. Moc ogniwa fotowoltaicznego zależy bezpośrednio od jego wielkości – najmniejsze może wytworzyć około 1W prądu, największe około 7W. Ogniwa fotowoltaiczne są połączone równolegle i szeregowo w panelu fotowoltaicznym - moc panelu fotowoltaicznego zależy od wielkości i liczby pojedynczych ogniw, które go budują.
Warto wiedzieć: Ile czeka się montaż paneli fotowoltaicznych i zgody?
Jak działają ogniwa fotowoltaiczne?
Promieniowanie słoneczne można postrzegać jako strumień fotonów (kwantów) niosących pewną energię. Kiedy fotony zderzają się z elektronami, przenoszą energię na elektrony. na wewnętrzny efekt fotoelektryczny. Energia fotonu jest całkowicie absorbowana przez elektrony, które przechodzą do pasma przewodnictwa i zmieniają właściwości elektryczne materiału. Zjawisko fotowoltaiczne polega na przenoszeniu elektronów na wyższe poziomy energetyczne za pośrednictwem fotonów, generując w ten sposób siłę elektromotoryczną. Światło słoneczne padające na fotokomórkę wyzwala reakcję fizyczną, w wyniku której powstaje prąd stały. Prąd stały jest następnie przetwarzany na prąd przemienny w procesie realizowanym za pomocą falownika (przetwornica jest również nazywana falownikiem).
Czytaj dalej: Czy fotowoltaika w 2023 roku będzie opłacalna?
Jakie ogniwo fotowoltaiczne wybrać?
Każdy, kto rozważa inwestycję w fotowoltaikę, musi zastanowić się, który z tych trzech rodzajów akumulatorów jest dla niego najlepszy. możesz wybrać:
- Ogniwa monokrystaliczne.
- Ogniwa polikrystaliczne.
- Ogniwa amorficzne.
Ogniwa monokrystaliczne - Wykonane z jednego kawałka krzemu o średnicy 30 cm, pociętego na arkusze o grubości 2-3 mm. Pierwotnie ośmiokąty wycinano z okrągłych płytek, aby stracić jak najmniej materiału. Dzięki temu moduły wykonane z ogniw monokrystalicznych mają unikalne kształty. Ogniwa fotowoltaiczne są najdroższe, ze względu na wysokiej jakości materiał półprzewodnikowy, z którego są wykonane oraz najwyższą sprawność rzędu 14-17%. Panele wykonane z tych komórek są czarne, chociaż w świetle słonecznym wydają się ciemnoniebieskie. Ogniwa monokrystaliczne są najlepszym wyborem dla tych o mniejszej powierzchni dachu, ponieważ mniejsza liczba paneli zbudowanych z tych ogniw wytworzy taką samą ilość energii elektrycznej, jak większa liczba paneli polikrystalicznych.
Ogniwa polikrystaliczne – są wykonane z krystalicznego krzemu pociętego na cienkie kwadratowe płytki. Ogniwa polikrystaliczne mają nierówną powierzchnię, na której widać kryształy krzemu. Ogniwa polikrystaliczne są tańsze ze względu na jakość materiałów, z których są wykonane oraz niższą sprawność rzędu 12-14%. Panele wykonane z ogniw polikrystalicznych są koloru niebieskiego. Dla tych, którzy mają duże powierzchnie dachów, dobrym wyborem są ogniwa polikrystaliczne.
Ogniwa amorficzne - Wykonane z amorficznych kryształów krzemu. Charakteryzują się najmniejszą sprawnością na poziomie 6-8%, ale są też najtańsze. Komórki amorficzne są ciemnobrązowe lub bordowe.
