FOTOWOLTAIKA - czyli odnawialne ród o energii

I. Czysta energia

S o ce jest niewyczerpalnym ród em czystej energii. Z bogactwa tego mo na korzysta

dzi ki modu om fotowoltaicznym. Systemy fotowoltaiczne dzia aj" niezale nie od sieci

energetycznej, gwarantuj"c sta e dostawy energii nawet w przypadku awarii sieci. S"

niezale ne od pogody, produkuj"c energi równie w pochmurne dni.

Energia s oneczna jest bezp atna i efektywna. Nat enie promieniowania s onecznego w

naszym kraju jest ró ne w zale no'ci od regionu i waha si w granicach od 1 do 1,15

kW h/m

2

, co przedstawia Rys. 1.

Rys. 1 .rednia roczna energia promieniowania s onecznego w Polsce

Ka da kilowatogodzina wyprodukowana ze s o ca pozwala unikn" emisji 0,8 - 1 kg CO

2

.

Polska energetyka, korzystaj"c ze z ó w gla, mocno zanieczyszcza atmosfer . Przy produkcji

1 MW energii w ci"gu godziny powstaje 16 kg dwutlenku siarki, 12 kg tlenku w gla

i w glowodorów oraz 4 kg tlenków azotu.

Przy obecnym bardzo wysokim poziomie zu ycia energii jej konwencjonalne ród a takie

jak ropa naftowa, w giel czy gaz zostan" wyczerpane w ci"gu nast pnych 40 lat.

II. Historia ogniwa fotowoltaicznego

A. C. Becquerel w 1839 r., zaobserwowa po raz pierwszy efekt fotowoltaiczny w obwodzie

dwóch elektrod o'wietlonych (chlorkowo – srebrowych) zanurzonych w elektrolicie.

W. Adams i R. Day w 1876 r., zaobserwowali to zjawisko na granicy dwóch cia sta ych

(selen – platyna). Pierwsze ogniwa selenowe mia y sprawno' 0,5%.

2

Zdecydowanie najwi kszy wp yw na rozwój ogniw s onecznych mia a metoda produkcji

kryszta ów krzemu o wysokiej czysto'ci opracowana przez Czochralskiego (na prze omie lat

1940 i 1950).

Urz"dzenia pok adowe satelity Vanguard (1958) zasilane by y przez krzemowe ogniwa

s oneczne o sprawno'ci 11% - pierwsze zastosowanie takich ogniw.

Obserwacja efektu fotowoltaicznego przez D. C. Reynolds’a, w z "czu stopu metalu (Cu –

monokryszta CdS), doprowadzi a do otrzymania w latach sze' dziesi"tych pierwszych

cienkowarstwowych ogniw s onecznych (Cu

2

S-CdS).

D. M. Chapin, S. C. Fellerand i G. L. Person dokonali kolejnego post pu, buduj"c z

u yciem monokryszta u krzemu, ogniwo o sprawno'ci ok. 6%. Praktyczne stosowanie ogniw

s onecznych by o mo liwe dopiero od pocz"tku lat 70, gdy opracowano stosunkowo tani

technologie wytwarzania kryszta ów krzemu i pó przewodników.

III. Zasada dzia ania ogniwa

Zasada dzia ania ogniwa fotowoltaicznego, opiera si

na absorpcji promieniowania

'wietlnego docieraj"cego do pó przewodnika. Ilo'ciowo absorpcja okre'lona jest tzw.

wspó czynnikiem absorpcji ( ) [oznacza odwrotno' grubo'ci pó przewodnika, w której

moc prom. Zmniejsza si e - krotnie]. Efektem absorpcji promieniowania 'wietlnego jest

generacja pary dziura elektron. Istniej"ce w z "czu p - n wbudowane pole elektryczne

rozdziela powsta e pary dziura – elektron kieruj"c elektrony do obszaru typu n, a dziury do

obszaru typu p.

IV. Budowa ogniwa i mechanizm fotowoltaiczny

Komórk fotowoltaiczn" stanowi p ytka z krzemu. Powierzchnia jej zawiera ró ne

domieszki – tworz"c strefy N i P. Na granicy tych dwóch stref powstaje pole elektryczne.

Foton padaj"c na p ytk krzemow" mo e uwolni elektron; tworz"c jednocze'nie par

elektron - dziura. Elektron uzyskawszy odpowiedni" energi mo e przemie'ci si w

kierunku "cza NP, w którym pole elektryczne powoduje skierowanie go do strefy N.

Pomi dzy bokami p ytki N i P powstaje napi cie. W ten sposób pod dzia aniem 'wiat a,

p ytka ta staje si generatorem pr"du elektrycznego.

Gdy brak jest o'wietlenia, p ytka

stanowi element pasywny. Siatki metalowe na 'ciankach p ytki pe ni" rol

elektrod

zbieraj"cych pr"d.

Ogniwo sk ada si z grubego obszaru typu p, zwanego baz" cienkiej warstwy n, zwanej

emiterem, jednowarstwowej lub wielowarstwowej pow oki przeciwodbiciowej (zarazem

pasywuj"cej) oraz kontaktów metalowych na górnej i dolnej powierzchni. Dolny kontakt

pokrywa zazwyczaj ca " powierzchni . Kontakt górny wykonywany jest w formie siatki

3

zakrywaj"cej kilka procent ca ej powierzchni. Takie rozwi"zanie technologiczne jest

kompromisem pomi dzy rezystancj" szeregow" i efektywn" powierzchni" ogniwa

umo liwiaj"c" przenikanie promieniowania do wn trza pó przewodnika. Budow ogniwa

przedstawia Rys. 2.

Rys. 2 Budowa ogniwa fotowoltaicznego

Energia promieniowania elektromagnetycznego g ównie w zakresie 'wiat a

widzialnego powoduje wybijanie w pó przewodnikach elektronów z pasma walencyjnego na

poziom przewodnictwa. W miejscu wybitego wi"zania sieci krystalicznej elektronu (-)

powstaje dziura (+). Dziura jest rekombinowana elektronem z s"siaduj"cego w z a sieci

krystalicznej w którym powstaje nowa dziura. W przewodniku typu P jest przewaga dziur,

natomiast w typu N jest przewaga elektronów. Do struktury krystalicznej materia u bazowego

np. krzemu, wprowadza si atomy o charakterze donorów (np. fosfor – typ N) lub akceptorów

(np. bor – typ P). Na styku tych dwóch pó przewodników tworzy si bariera zaporowa, w

wyniku pierwotnej rokombinacji – ujemna w obszarze typu P i dodatnia w obszarze typu N.

Bez 'wiat a dziury w druj" na lewo i p ynie niewielki wsteczny pr"d dyfuzyjny I

d

.

Rys. 3 Mechanizm fotowoltaiczny:
a) mechanizm powstania dziury,

4

b) wsteczny pr"d szcz"tkowy dyfuzyjny (bez 'wiat a),
c) przep yw pr"du (o'wietlenie).

Fotony padaj"ce na z "cze PN o energii wi kszej ni szeroko' przerwy energetycznej

pó przewodnika, powoduje powstanie w tym miejscu pary elektron – dziura ((-) i (+)). Pole

elektryczne wokó pó przewodnika przesuwa no'niki ró nych znaków w przeciwne strony:

dziury do obszaru P, a elektrony do obszaru N, co powoduje powstanie zewn trznego

napi cia elektrycznego na z "czu – efekt fotowoltaiczny. Rozdzielone adunki s" no'nikami

nadmiarowymi o niesko czonym czasie ycia, napi cie na z "czu PN jest sta e i z "cze dzia a

jak ogniwo elektryczne. Mechanizm tego zjawiska w wyniku którego p ynie pr"d w

fotoogniwie przedstawia

Rys. 3

c.

Energi fotonu przedstawia wzór:

hv

hv

E

=

=

( IV.1)

dla promieniowania s onecznego upraszcza si do postaci:

24

,

1

=

E

( IV.2)

-d ugo' fali wyra ona w mikrometrach

Nie wszystkie fotony maj" odpowiedni" energi

do wybijania w pó przewodnikach

elektronów, których praca wyj'cia z pasma walencyjnego na poziom przewodnictwa katody

wynosi 2 eV. Z podstawienia tej warto'ci do równania (IV.2) wynika, e dokona tego mo e

promieniowanie o d ugo'ci fali mniejszej ni 0,64

µ

m. Warunek ten spe nia tylko 30%

promieniowania s onecznego docieraj"cego do powierzchni Ziemi.

Sprawno' konwersji energii s onecznej na energi elektryczn" wyra a zale no' :

%

100

EA

IU

=

( IV.3)

I,U – odpowiednio nat enie pr"du i napi cie elementu fotoelektrycznego,

A – powierzchnia fotoogniwa.

Sprawno' fotoogniwa mo na równie wyrazi wzorem:

%

100

EA

FF

U

I

oc

k

=

( IV.4)

I

k

– pr"d zwarcia,

U

oc

– napi cie otwartego obwodu,

FF – wspó czynnik wype nienia charakterystyki.

5

Wspó czynnik FF charakteryzuj"cy fotoogniwa jest stosunkiem pola prostok"ta

wyznaczonego przez I

k

i U

oc

dla pola pod charakterystyk" (Rys. 10).

Stosuje si teksturyzacj przedniej b"d obu powierzchni, (dzi ki czemu pow. nie jest

p aska-jest ukszta towana piramidalnie). Cz ' promieniowania odbijanego mo e zosta

ponownie poch oni ta, a w efekcie droga 'wiat a w pó przewodniku ulega wyd u eniu-daje to

lepsze warunki absorpcji w zakresie podczerwieni. Sytuacj przedstawia Rys. 4.

Rys. 4 Teksturyzacja przedniej powierzchni ogniwa - promie odbity od powierzchni dociera ponownie do

p aszczyzny pó przewodnika

Przy o'wietleniu ogniwa, koncentracja no'ników wzrasta (przyrost no'ników

mniejszo'ciowych jest znacznie wi kszy ni no'ników wi kszo'ciowych).

Rys. 5 Charakterystyka pr"dowo - napi ciowa ogniwa przy o'wietleniu

Gdy ogniwo jest o'wietlone, wówczas dzia a jak generator pr"du. W zwi"zku, czym

schemat elektryczny przedstawia symbol ród a pr"dowego pod "czony równolegle do diody.

W zale no'ci od przedstawienia ogniwa ( ród o lub obci" enie) otrzymujemy odbicie lub

przesuni cie krzywej równolegle do osi pr"du.

6

Rys. 6 Równowa ny schemat ogniwa s onecznego odpowiadaj"cy modelowi jednodiodowemu

Rys. 7 Charakterystyka pr"dowo - napi ciowa, przy braku o'wietlenia

Napi cie progowe o warto'ci 0.5V po przekroczeniu, którego gwa townie zaczyna

rosn" pr"d przy polaryzacji w kierunku przewodzenia, oraz napi cie przebicia o warto'ci

ok.20V dla polaryzacji w kierunku zaporowym.

Rys. 8 Wp yw nat enia 'wiat a na napi cie ogniwa

V

oc

– napi cie ogniwa otwartego (open – circuit voltage),

I

sc

– pr"d zwarciowy (short – circuit current).

7

Rys. 9 Moc generowana przez ogniwo s oneczne w zale no'ci od punktu pracy

Dzia anie ogniwa mo na wyja'ni jako trzystopniowy proces:

•

Absorpcja – absorberem jest materia pó przewodnikowy.

•

Rozdzielenie (separacja) adunków – elektrony i dziury w pó przewodnikach

rozdzielane s" w efekcie procesów tzw. dyfuzji oraz dryftu no'ników adunku

elektrycznego w obszarze adunku przestrzennego z "cza n – p. S" te

inne

mechanizmy rozdzielania no'ników, np. proces tunelowania elektronów przez bardzo

cienk" warstw izolatora.

•

Przep yw adunków – rozdzielenie adunków prowadzi do powstania napi cia

pomi dzy dwoma obszarami ogniwa. Aby te adunki mo na by o odprowadzi

potrzebne s" kontakty (powinny charakteryzowa si nisk" warto'ci" rezystancji

kontaktu).

Podstawowe parametry komórki fotowoltaicznej okre'la jej charakterystyka pr"dowo-

napi ciowa I=f(U) w danych warunkach o'wietlenia i temperatury.

Maksymaln" moc:

max

max

max

U

I

P

=

( IV.5)

wydzielon" na rezystancji obci" enia jako pole zaciemnionego prostok"ta przy danym

nat eniu promieniowania pokazano na Rys. 10.

Rys. 10 Charakterystyka pr"dowo – napi ciowa
o'wietlonego ogniwa a-Si

8

Rys. 11 Charakterystyki komórki fotowoltaicznej przy ró nym nat eniu napromieniowania

Na charakterystyce (Rys. 11) wyró niono trzy punkty:

•

punkt optymalnego dzia ania, który odpowiada mocy maksymalnej (P

max

) dostarczanej

przez komórk , pkt. ten okre'laj" warto'ci napi cia i pr"du, odpowiednio (U

p

i I

p

),

•

punkt w którym napi cie jest równe zeru i warto' pr"du jest maks. (pr"d zwarcia-I

z

),

•

punkt który odpowiada zerowej warto'ci pr"du i maksymalnej warto'ci napi cia

(napi cie przy otwartym obwodzie –U

o

).

Warto' pr"du dostarczanego z komórki jest praktycznie proporcjonalna do ilo'ci fotonów

otrzymanych przez komórk , natomiast napi cie jest stosunkowo sta e.

Warto' mocy wytwarzanej jest proporcjonalna do nat enia napromieniowania. Rys. 11

wskazuje na to, e komórka fotowoltaiczna jest w stanie przetwarza energi s oneczn" nawet

przy ma ych warto'ciach o'wietlenia ( rano, wieczór, zachmurzenie).

Ze wzrostem temperatury pr"d zwarcia ro'nie, a napi cie obwodu otwartego maleje,

przedst. Rys. 12.

Rys. 12 Wp yw temperatury na przebieg charakterystyk komórki fotowoltaicznej

9

Rys. 13 Wp yw nas onecznienia na charakterystyk I(U) ogniwa a-Si

Wzrost pr"du zwarcia jest zwi"zany ze zmniejszeniem szeroko'ci pasma zabronionego

materia u pó przewodnikowego, zmniejszenie napi cia obwodu otwartego wynika ze

wzrostem pr"du I

d

. Wskutek tego nast puje niewielkie zmniejszenie mocy maksymalnej.

Ze wzrostem temperatury charakterystyki pr"dowo – napi ciowe ulegaj" zmianie, gdy

pr"d zwarciowy wzrasta (rz du 1% na 1TC) napi cie obwodu otwartego maleje (rz du 2mV

na 1TC). Moc maksymalna jest mniejsza (rz du 0,4% na 1TC). Pomiar temp. komórek mo na

zrealizowa za pomoc" sond rezystancyjnych z platyny, przyklejonych na powierzchni

frontalnej i tylnej modu ów fotowoltaicznych. W celu ograniczenia wp ywu promieniowania

sondy zazwyczaj pokrywane s" ywic" epoksydow".

I.

Rys. 14 Wp yw temperatury na sprawno' ró nych ogniw

Poprawienie sprawno'ci ogniwa jest mo liwe g ównie przez:

zwi kszenie wspó czynnika wype nienia charakterystyki (FF) przez bardziej

zaawansowan" technologi ,

zmniejszenie odbi przez zastosowanie pow ok antyrefleksyjnych,

zmian materia u z którego jest wykonane ogniwo, np. w stosunku do krzemu

amorficznego sprawno' ogniwa polikrystalicznego zwi ksza si 1,4 razy,

10

monokrystalicznego 1,8 razy, ogniwa z arsenku galu (GaAs) 2,2 razy, ogniwa

GaAs/GaAsAl monokrystalicznego i heteroz "czowego 2,3 razy i ogniwa

AlGaAs/Si monolitycznego dwuz "czowego sprawno' wzrasta 2,85 razy,

zmniejszenie temperatury powierzchni adsorpcyjnej (wp yw temperatury na

sprawno' ogniwa przedstawiono na Rys. 14.

Zastosowanie koncentratorów promieniowania s onecznego.

Wspó czesne ogniwa s oneczne sk adaj" si z nast puj"cych warstw: metalicznego

pod o a (folia Al), pó przewodnika typu N, pó przewodnika typu P, metalowych elektrod

zbiorczych, drugiej warstwy krzemu i warstwy przeciwodblaskowej. Powierzchnie s"

grawerowane laserowo w celu zapewnienia odpowiedniej ich faktury. Poszczególne warstwy

s" napylone dyfuzyjnie i trawione na przemian. Na Rys. 15 przedstawiono rozwój

konstrukcyjny ogniw s onecznych.

Rys. 15 Rozwój ogniw fotowoltaicznych

V. Nowe australijskie ogniwa s oneczne

11

G ówny problem w rozpowszechnieniu baterii s onecznych to ich cena, jednak pod

tym wzgl dem mo e okaza si prze omem wynalazek australijskich naukowców dr. K.

Webera i prof. A. Blakersa z Australijskiego Uniwersytetu Narodowego. Technologia o

nazwie „silver” polega na odpowiednim wykonaniu ogniw s onecznych w postaci pasków o

szeroko'ci 1,5 mm, d ugo'ci 10cm i 0,05mm grubo'ci (powierzchnia 1,5 cm

2

) ze

standardowych p ytek krzemowych.

Rys. 16 Widok ogniwa Silver w przekroju

Rys. 17 Paski krzemowe u ywane do produkcji ogniwa Silver

Rys. 18 Paski krzemowe u ywane do produkcji ogniwa Silver

Paski te pó niej uk ada si na szklanym pod o u, które po po "czeniu tworz" modu

baterii s onecznej. W du ym uproszczeniu mo na powiedzie , e ogniwa s oneczne te ró ni"

si

od konwencjonalnych procesem „wycinania” z p ytek krzemowych odpowiednich

elementów.

12

Rys. 19 Pasek krzemowy u ywany do produkcji ogniwa Silver, widok z bliska

Rys. 20 Przej'cie 'wiat a przez ogniwo Silver

Z p ytki o 'rednicy 15cm mo na wykona a 100 ogniw „silver” o "cznej

powierzchni 1500 cm

2

, gdy tymczasem w dotychczasowej technologii 140 cm

2

. Dzi ki temu

uzyskuje si znacznie wi ksz" powierzchni z tej samej ilo'ci materia u, a wi c znaczne

zmniejszenie potrzebnej ilo'ci p ytek krzemowych do wyprodukowania ogniwa

s onecznego, a co za tym idzie tak e jego ceny. Dalsze du e oszcz dno'ci materia u mo na

osi"gn" pozostawiaj"c odst py mi dzy poszczególnymi ogniwami w module. .wiat o

przechodz"c przez te szczeliny ulega odbiciu od zwierciad a umieszczonego z ty u modu u i

w drodze powrotnej pada na ogniwo "sliver".

Nowa technologia na wykonanie modu u o tej samej mocy zu ywa 7-10 razy mniej

krzemu. Co wi cej produkowane w ten sposób baterie maj" wy sz" sprawno' która wynosi

ok. 22%, a mo na b dzie osi"gn" nawet wi ksz" dzi ki wysokiej jako'ci stosowanych

monokryszta ów krzemu i wyrafinowanej obróbce. Wszystko to powoduje, e koszt zakupu

baterii zwraca si ju po 1,5 roku, a nie jak w dotychczas produkowanych po 4 latach.

Mo liwo' dwustronnego o'wietlania ogniw "sliver" stwarza mo liwo' zbierania

promieniowania s onecznego od wschodu do zachodu w sposób bardziej efektywny, co

wp ynie na wi ksz" roczn" produkcj energii od dotychczasowej konfiguracji.

Obecnie ju ruszy a produkcja tego typu ogniw s onecznych – w kwietniu 2005 r.

wyprodukowano modu y o mocach 40W, w 2006 maj" by ju produkowane o mocy 100W.

13

Rys. 21 Pasek krzemowy

Rys. 22 Modu s oneczny Silver

Wi cej informacji o tym wynalazku jak i aktualno'ci z jego wdra ania mo na

znale na stronie:

http://www.originenergy.com.au/environment/environment_subnav.php?pageid=1233

oraz

na stronach Australijskiego Uniwersytetu Narodowego:

http://solar.anu.edu.au

VI. Promieniowanie s oneczne

Promieniowanie s oneczne ma szerokie spektrum, d ugo'ci fali od 0,000 do 0,01 mm

i niesie w sobie zró nicowan" ilo' energii. Tylko cz ' tego promieniowania 0,35-0,75

µ

m

to zakres 'wiat a widzialnego. Zró nicowane s" nie tylko d ugo'ci fali promieniowania

s onecznego od ok. 0,2 do 2,5

µ

m, lecz tak e g sto' energii, przedstawia

Rys. 23

. Oko o

po owa energii promieniowania 46%, przypada na promieniowanie widzialne, reszta to

nadfiolet 7% i podczerwie

47%. Oprócz promieniowania o charakterze

elektromagnetycznym do powierzchni Ziemi okresowo dociera ze S o ca równie

promieniowanie korpuskularne, sk adaj"ce si w wi kszo'ci z protonów (wiatr s oneczny o

pr dko'ci ok. 10

7

km/s).

14

Rys. 23 Spektrum 'wiat a s onecznego

Energia s oneczna docieraj"ca do granicy atmosfery stanowi jedn" pó miliardow"

cz ' energii emitowanej przez S o ce, a jej strumie ma moc ok. 1,39 kW/m

2

– jest to tzw.

sta a s oneczna. Na Rys. 24, przedstawiono sk adniki promieniowania s onecznego, w

zale no'ci od pory dnia i roku do powierzchni Ziemi dociera 'rednio mniej ni 50% energii,

dzieje si

tak na wskutek odbicia (ok. 35%), absorpcji i rozproszenia. Nat enie

promieniowania s onecznego na powierzchni Ziemi zale y od wysoko'ci S o ca nad

horyzontem, wi" e si z grubo'ci" warstwy atmosfery, przez któr" to promieniowanie jest

absorbowane. Dla wysoko'ci równej 90

°

, 30

°

, 20

°

i 12

°

nat enie to wynosi odpowiednio

I=900, 750, 600 i 400 W/m

2

.

Rys. 24 Sk adniki promieniowania s onecznego

Na Rys. 25 zobrazowano zmian

nat enia promieniowania dla szeroko'ci

geograficznej 52

°

, w dzie bezchmurny w zale no'ci od pory dnia i roku. Na osi rz dnych

podano maksymalne warto'ci energii, a pole pod krzyw" obrazuje ca kowit" ilo' energii

docieraj"c" w ci"gu dnia. Jako norm dla Polski przyjmuje si warto' napromieniowania

ca kowitego w ci"gu roku 3600 MJ/m

2

±

10% (1000kW h/m

2

).

15

Rys. 25 Zmienno' nat enia promieniowania s onecznego

VII. Literatura

1. Witold M. Lewandowski, Proekologiczne ród a energii odnawialnej, WNT,

Warszawa 2002.

2. Smoli ski S awomir, Fotowoltaiczne ród a energii i ich zastosowania, Wyd.

SGGW, Warszawa 1998.

3. Zbys aw Pluta, S oneczne instalacje energetyczne, PW, W-wa 2003.

4. Strona internetowa Centrum Fotowoltaiki Politechniki Warszawskiej,

www.pv.pl