Ogniwa fotowoltaiczne

Fotowoltaika to technologia przetwarzania

energii promieniowania słonecznego w energię

elektryczną, bardziej znana jako PV

(Photovoltaics). Słowo „foto” pochodzi z języka

greckiego „photos” co oznacza światło, z kolei

wyraz „wolt” został zaczerpnięty z nazwiska

uczonego Alessandro Volta. W rezultacie słowo

fotowoltaika oznacza dosłownie „światło-

elektryczność”

Trochę historii

• 1839 - Edmund Becquerel obserwuje zjawisko fotoelektryczne
• 1873 - Willoughby Smith, pierwsza obserwacja efektu fotoelektrycznego w

ciele stałym (selen)

• 1876 - William Grylls Adams razem ze studentem Richard Evans Day

odkrywają, że oświetlony selen produkuje prąd elektryczny

• 1878 - Samuel Pierpont Langley wynajduje bolometr, przyrząd do pomiaru

energii promieniowania

• 1883 - Charles Fritts - pierwsze działające ogniwo słoneczne (sprawność 1%)
• 1905 - Albert Einstein publikuje dwie prace o teorii względności i zjawisku

fotoelektrycznym

• 1916 - Robert Millikan - doświadczalny dowód zachodzenia zjawiska

fotoelektrycznego

• 1918 - Jan Czochralski - metoda hodowli kryształów krzemowych
• 1946 - Russell Ohl patentuje ulepszone ogniwo słoneczne
• 1954 - Daryl Chapin, Calvin Fuller, Gerald Pearson - odkrycie krzemowego

ogniwa fotowoltaicznego w laboratoriach Bella (sprawność 4%-11%)

• 1962 - Bell Telephone Laboratories, satelita telekomunikacyjny,

Telstar (moc początkowa 14W)

• 1963 - Sharp Corporation, produkcja PV modułów krzemowych
• 1964 - Japonia, instalacja 242W systemu PV na latarni morskiej

(wtedy największego na świecie)

• 1968 - NASA, pierwsze Obserwatorium Astronomiczne na orbicie,

1kW - system PV

• 1976 - David Carlson i Christopher Wroński, RCA Laboratories,

wyprodukowano pierwsze ogniwo z amorficznego krzemu

• 1970 - Zhores Alferov razem z zespołem tworzą pierwsze wysoce

efektywne heterozłącze GaAs

• 1988 - produkcja na skalę masową ogniw GaAs przez Applied Solar

Energy Corporation (sprawność 17%), w roku 2000 trój-złącze GaAs
tej samej firmy osiąga sprawność 24%, 26% w 2002r., 28% w 2005r. i
30% w 2007 roku

• 2007 - dwie firmy amerykańskie: Emcore Photovoltaics and

Spectrolab produkują 95% z całego świata ogniw o sprawności 28%

Budowa, mechanizm

działania

Ogniwo wykonuje się z
półprzewodnika typu p pokrytego
warstwą półprzewodnika typu n o
grubości tylko 1um, tak aby światło
mogło swobodnie przedostać się do
warstwy zaporowej. Pochłonięte
fotony wybijają elektrony z sieci
krystalicznej i stają się swobodne i
jednocześnie tworzą się dziury. W
wyniku powstającego
wewnętrznego pola elektrycznego
w warstwie następuje dyfuzja czyli
przejście dziur do obszaru p, a
elektronów do obszaru n. Pomiędzy
obiema częściami półprzewodnika
powstaje potencjał elektryczny, jeśli
na zewnątrz ogniwa zewrzemy
obszary p i n to popłynie prąd.

Główne rodzaje ogniw

krzemowych

• monokrystaliczne
• polikrystaliczne
• amorficzne

Monokrystaliczne

• Najwyższa

sprawność na
poziomie 14-17%
(wersja laboratoryjna
ogniwa nawet do
24%)

• Wysoka cena,

trudność hodowania
monokrystalicznych
kryształów

Polikrystaliczne

• Sprawność rzędu

13-15% (18%)

• Niższa cena

Amorficzne

• Najniższa

sprawność 5-7%
(13%)

• Najtańsze

Porównanie sprawności

Od czego zależy

sprawność ogniwa

• sposób prowadzenia górnych elektrod
• przeźroczystość cienkiej warstwy obszaru typu n
• współczynnik odbicia światła (krzem odbija ok.

30%)

• absorpcja (fotony o mniejszej energii niż szerokość

przerwy energetycznej nie uczestniczą w
przekazywaniu energii, krzem z przerwą 1,1eV
wykorzystuje 44% docierającego promieniowania)

• straty wynikające z rekombinacji nośników

ładunków

• napięcie komórki

Rozwiązania

• kształtowanie powierzchni w postaci piramidek
• nanoszenie warstw antyrefleksyjnych, np. tlenku

krzemu (SiO) redukuje odbicie o 10%, azotku
krzemu (Si

3

N

4

), czy też tlenku tytanu (TiO)

Rozwiązania

• Stosowanie innych materiałów: CuInSe

2

,

GaAs, CdTe

Rozwiązania

• podwójne, potrójne układy komórek, każda

warstwa odpowiadająca promieniowaniu o
innym zakresie częstotliwości

Rozwiązania

• Skupianie światła za pomocą soczewek i/lub zwierciadeł

Zastosowania

• zasilanie zegarków, kalkulatorów

Zastosowania

• przestrzeń kosmiczna

Zastosowania

• w samolotach

Zastosowania

• dachy, ściany budynków

Zastosowania

• elektrownie

Wieża słońca

Źródła:

http://www.if.pwr.wroc.pl/~wsalejda/pop/Cos_ty_ludziom.pdf

http://www.mif.pg.gda.pl/homepages/maria/pdf/MF9_05_9.pdf

http://www.fonon.univ.rzeszow.pl/orzptf/sesje/310306_orzptf.pdf

http://pl.wikipedia.org/wiki/

http://en.wikipedia.org/wiki/

http://www.fizyka.net.pl/index.html?menu_file=aktualnosci
%2Fm_aktualnosci.html&former_url=http%3A%2F
%2Fwww.fizyka.net.pl%2Faktualnosci%2Faktualnosci_t3.html