Uwarunkowania ekonomiczne – szczególnie coraz wyższe ceny prądu produkowanego z paliw kopalnych – skłaniają wiele osób do inwestycji w odnawialne źródła energii. Wybór pada najczęściej na ogniwa fotowoltaiczne. Czym jednak są i jak funkcjonują takie układy? Z jakich materiałów mogą być zbudowane? I gdzie znajdują one zastosowanie?
Ogniwo fotowoltaiczne – czym jest i jak działa?
Ogniwo fotowoltaiczne (zwane też ogniwem fotoelektrycznym, ogniwem słonecznym lub fotoogniwem) to element półprzewodnikowy, w którym dochodzi do przemiany energii świetlnej (np. promieniowania słonecznego) w elektryczną. W jego skład wchodzą:
- obszar typu n, gdzie nośnikami większościowymi są elektrony o ujemnym ładunku elektrycznym;
- obszar typu p, gdzie nośnikami większościowymi są tak zwane dziury, charakteryzujące się dodatnim ładunkiem elektrycznym;
- warstwa zaporowa.
Zasada działania ogniwa fotowoltaicznego jest stosunkowo prosta: elektrony, pod wpływem trafiających w nie fotonów o odpowiednio wysokiej energii, wybijane są z orbit atomowych i przemieszczają się do obszaru n, a dziury – do obszaru p. Efektem tego procesu jest pojawienie się różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego.
Ogniwo fotowoltaiczne, panel fotowoltaiczny, instalacja fotowoltaiczna – czym różnią się te pojęcia?
Najczęściej spotykane ogniwa fotowoltaiczne pozwalają na uzyskanie napięcia rzędu zaledwie 0,5 V. Między innymi dlatego grupuje się je w tzw. panele (moduły) fotowoltaiczne, umożliwiające uzyskanie wyższych, użytecznych wartości tego parametru. Ponadto rozwiązanie takie:
- ułatwia prowadzenie prac instalacyjnych;
- pozwala zabezpieczyć delikatne fotoogniwa – w trakcie tworzenia panelu są one układane na folii PET oraz pokrywane folią EVA i hartowanym szkłem (na rynku można też spotkać konstrukcje zabezpieczone szkłem obustronnie, zapewniające jeszcze wyższy poziom bezpieczeństwa ogniw fotowoltaicznych).
Panele fotowoltaiczne są zwykle elementem instalacji fotowoltaicznych (inaczej: instalacji PV). W skład tych ostatnich wchodzą – oprócz modułów – m.in. falownik (element służący do zamiany wytwarzanego w ogniwach fotowoltaicznych prądu stałego w prąd zmienny), konstrukcja montażowa, okablowanie AC/DC oraz zabezpieczenia AC/DC.
Z czego produkuje się ogniwa fotowoltaiczne dla domowych instalacji PV?
Materiałem, wykorzystywanym do produkcji najczęściej stosowanych w domowych instalacjach PV ogniw fotowoltaicznych I generacji, jest krystaliczny krzem. Wyróżnić można dwa rozwiązania, bazujące na tym tworzywie:
- Ogniwa monokrystaliczne. Są one niezwykle wydajne, dzięki czemu dominują obecnie na rynku. Cechą, która pozwala na ich łatwe rozpoznanie, jest ciemna (niekiedy nawet czarna) barwa.
- Ogniwa polikrystaliczne. Charakteryzują się one mniejszą od fotoogniw monokrystalicznych wydajnością, rekompensowaną jednak częściowo przez niższą cenę. Najczęściej mają one kolor błękitny, a na ich powierzchni można zobaczyć charakterystyczną strukturę, przypominającą wyglądem szron.
Specyficzną odmianą ogniw fotowoltaicznych z krzemu krystalicznego są produkty wykonane w technologii PERC. Wyróżnia je dodatkowa, dolna warstwa, składająca się z tlenku aluminium lub – rzadziej – z tlenku krzemu. Jednym z jej celów jest odbijanie fotonów, które nie zostały zaabsorbowane przez ogniwo wcześniej. Jak łatwo można się domyślić, pozwala to na znaczący wzrost wydajności układu – ogniwa fotowoltaiczne PERC wykorzystują bowiem większą ilość docierającej do swej powierzchni energii świetlnej.
Ogniwa fotowoltaiczne II i III generacji – z czego mogą być zbudowane?
W instalacjach PV wykorzystuje się również niekiedy ogniwa fotowoltaiczne II generacji, wykonane z tellurku kadmu, krzemu amorficznego lub mieszaniny galu, selenu i miedzi. Są one niezwykle cienkie i lekkie, jednak wydajnością nie dorównują klasycznym ogniwom mono- i polikrystalicznym. Przykładowo: fotoogniwa bazujące na tellurku kadmu (CdTe) mają sprawność na poziomie 10-15%, a ogniwa z amorficznego krzemu – 6-10%. Tymczasem panele składające się z monokrystalicznych ogniw fotowoltaicznych pozwalają uzyskać wartość tego parametru na poziomie od 19% do 24%, a ich nieco mniej wydajne odpowiedniki polikrystaliczne – od 16% do 20%. Dodatkową przeszkodą w wykorzystaniu niektórych spośród ogniw II generacji w domowych instalacjach fotowoltaicznych może być toksyczność użytych do ich produkcji materiałów (mowa tu np. o tellurku kadmu) – nie stanowi ona co prawda problemu na etapie użytkowania, jednak utrudnia późniejszą utylizację.
Obecnie trwają już pracę nad III generacją ogniw fotowoltaicznych – mówi się o możliwości użycia do ich budowy m.in. polimerów i włókien perowskitowych. Rozwiązania te, chociaż ciekawe, nie cieszą się jeszcze zbyt dużym zainteresowaniem nabywców (głównym powodem takiego stanu rzeczy jest ich wysoka cena oraz niewielka wydajność, związana z początkową fazą rozwoju tych technologii).
Gdzie stosowane są ogniwa fotowoltaiczne?
Ogniwa fotowoltaiczne są nie tylko elementem domowych instalacji PV – spektrum ich zastosowań jest znacznie szersze. Obecnie używa się ich m.in.:
- w komercyjnych elektrowniach słonecznych;
- w elektronice użytkowej (kalkulatorach, zegarkach, lampach ogrodowych itp.);
- w przemyśle (zasilają tam najczęściej aparaturę kontrolną i pomiarową, rzadziej – maszyny i urządzenia produkcyjne);
- w budownictwie komunalnym i drogowym (wykorzystywane są m.in. jako źródło prądu dla systemów oświetlenia wiat przystankowych, latarni ulicznych oraz znaków drogowych).
Jako ciekawostkę można przytoczyć fakt, że ogniwa fotowoltaiczne pełnią też ważną rolę w eksploracji kosmosu – stanowią podstawowe źródło zasilania większości sond badawczych i satelitów. Powód tego jest prosty: fotoogniwa nie potrzebują paliwa (koszt jego transportu na orbitę jest bardzo wysoki), są przy tym lekkie i niezwykle trwałe. Na dodatek poza atmosferą Ziemi można liczyć na stały, wysoki poziom promieniowania słonecznego (nie ogranicza go np. zachmurzenie) – jak łatwo można się domyślić, ogniwa fotowoltaiczne są w takich warunkach niezwykle wydajne.