Ogniwa słoneczne
-sprawność ogniw

 

 

Zasada działania (1)

• Efekt fotowoltaiczny, który jest wykorzystywany w 

ogniwach fotowoltaicznych, polega na 

powstawaniu w nich siły elektromotorycznej w 

wyniku oddziaływania na            półprzewodnik 

promieniowaniem słonecznym. 

• Energia promieniowania słonecznego zostaje 

przekształcona bezpośrednio w energię 

elektryczną, bez jakichkolwiek reakcji 

chemicznych. Ogniwo fotowoltaiczne składa się z 

półprzewodnikowej płytki z wykonanym w niej 

złączem p-n oraz z umieszczonymi na niej 

kontaktami o bardzo małej 

  rezystancji. 

 

 

Zasada działania (2)

• Gdy światło słoneczne 

pada na półprzewodnik, 

powstaje w nim para 

nośników o przeciwnych 

ładunkach: elektron i 

dziura. 

• Wskutek rozdzielenia 

ładunków przez pole 

elektryczne powstaje 

napięcie elektryczne. 

• Jeżeli do kontaktów 

przyłączone zostanie 

obciążenie, zacznie przez 

nie płynąć prąd i wykonana 

ono pracę.

 

 

 

Moc generowana przez ogniwo słoneczne w 

zależności od punktu pracy

ISC – prąd zwarciowy,
VOC – napięcie ogniwa 

nieobciążonego 

IMPP – prąd w punkcie 

mocy maksymalnej,

VMPP – napięcie w 

punkcie mocy 
maksymalnej, 

PMPP –moc 

maksymalna 

 

 

Ogniwa słoneczne

• Stosuje się w nich koncentrację 

promieniowania słonecznego przez 
zastosowanie zwierciadeł 
parabolicznych lub soczewek 
Fresnela. 

• Ogniwa fotoelektryczne zajmują 

również wielką powierzchnię. 
Elektrownia o mocy 1000MW 
wymagałaby powierzchni 50 km2 

 

 

Podział

1. Ogniwa fotowoltaiczne z krzemu 

monokrystalicznego. 

2. Ogniwa fotowoltaiczne z krzemu 

polikrystalicznego. 

3. Cienkowarstwowe ogniwa fotowoltaiczne 

ze związków półprzewodnikowych:
a)  krzem amorficzny
a)    CdTe (tellurek kadmu) 
b)    selenk indowo-miedziowy (CuInSe2) 

 

 

Sprawność - historia

• Podstawowym parametrem fizycznym cechującym ogniwo 

słoneczne jest jego sprawność. Sprawnością ogniwa 

nazywamy stosunek uzyskiwanej z ogniwa energii 

elektrycznej do energii promieniowania słonecznego 

padającego na ogniwo. 

• Pomiarów dokonuje się przy określonym rozkładzie 

widmowym promieniowania słonecznego (AM 1,5), 

natężeniu promieniowania 1000 W/m2 i w temperaturze 

25oC. 

• Około1960 roku ogniwa miały 19 mm średnicy, a ich 

sprawność wynosiła 6 do 7%. 

• W pięć lat później sprawność wzrosła do 9%, średnica do 

30 mm, średnia moc do 2,5W.

• Trzecia generacja ogniw pojawiła się w latach 70-tych. 

Średnica wynosiła 57 mm, sprawność zaś 12,5%.

• Dziś sprawność ogniw słonecznych osiąga już ok. 25%.

 

 

Zastosowanie

• O zastosowaniu ogniw słonecznych do produkcji 

energii elektrycznej decyduje cena ogniwa 

słonecznego w przeliczeniu na 1W uzyskanej mocy 

elektrycznej.

• Według badań amerykańskich energia fotoelektryczna 

jest jeszcze 10 - krotnie droższa niż energia jądrowa

• Jednakże, jeżeli najbliższa sieć elektryczna jest dalej 

niż 10 km od odbiorcy, a zapotrzebowanie na energię 

jest małe (np. pojedynczy dom), to może być bardziej 

opłacalne zainstalowanie ogniw fotoelektrycznych.

• Ogniwa z krzemu monokrystalicznego mogą 

funkcjonować do 25 lat. Trwałość ogniw                          

z krzemu amorficznego określa się na             

kilkanaście lat 

 

 

Monokrystaliczne

• Ogniwa z krzemu monokrystalicznego wykonywane są 

z płytek o kształcie okrągłym, a następnie przycinane 

na kwadraty dla zwiększenia upakowania na 

powierzchni modułu. Typowy wymiary to ok. 10 x 10 

cm i grubość 200-400 µm, nominalne napięcie ok. 0,5 

V. 

• Poprzez połączenie szeregowe ogniw słonecznych, 

można otrzymać tzw. baterie słoneczne.

• Monokrystaliczne ogniwa fotowoltaiczne wykazują 

najwyższe sprawności konwersji ze wszystkich ogniw 

krzemowych, ale również są najdroższe w produkcji. 

• Ogniwa produkowane na skalę masową mają 

sprawności do 17%

• Ogniwa do zastosowań kosmicznych osiągają 

sprawność do 23% (ogniwa z arsenku galu) 

 

 

Polikrystaliczne

• Polikrystaliczne ogniwa krzemowe wykonane 

są z dużych prostopadłościennych bloków 

krzemu, wytwarzanych w specjalnych 

piecach, które powoli oziębiają roztopiony 

krzem, aby zainicjować wzrost polikryształu 

o dużych ziarnach. Bloki te są cięte na 

prostokątne płytki, w których również 

formowana jest bariera potencjału. 

• Polikrystaliczne ogniwa są trochę mniej 

wydajne (10-14 %) niż monokrystaliczne, 

ale ich koszt produkcji jest też niższy.

 

 

Cienkowarstwowe z krzemu 

amorficznego

• Obecnie, najbardziej zaawansowane ogniwa cienkowarstwowe 

wykonane są z krzemu amorficznego i jego stopów (SiGe, SiC). 

Technologia pojedynczych, podwójnych i potrójnych ogniw jest 

dobrze rozwinięta i skomercjalizowana. 

• Sprawność przetwarzania ogniwa fotowoltaicznego z krzemu 

amorficznego skali laboratoryjnej wynosi  14%

• Typowa sprawność modułu fotowoltaicznego to ok. 8-10 %

• Zaletami ogniw wytworzonych z krzemu amorficznego są: 

- mały koszt materiału, 
- niewielkie zużycie energii przy produkcji modułu (głównie dzięki 

niskiej temperaturze procesu), 
- możliwość osadzania na giętkich podłożach, 
- zintegrowane połączenia ogniw i możliwość uzyskania dużych 

powierzchni. 

• Ogniwa i moduły mogą być produkowane w dowolnych kształtach i 

rozmiarach oraz projektowane w sposób umożliwiający integrację z 

fasadami i dachami budynków lub w postaci dachówek. Mogą być 

projektowane jako nieprzezroczyste lub półprzezroczyste. 

 

 

kolektory termiczne 

• Szczególnie atrakcyjnym rozwiązaniem jest połączenie 

kolektorów termicznych z fotowoltaicznymi w jeden system, 

ponieważ większość budynków potrzebuje zarówno ciepła, 

jak i energii elektrycznej. W tym przypadku powierzchnia 

pochłaniająca kolektorów cieplnych jest uformowana 

częściowo z ogniw słonecznych, które przetwarzają część 

promieniowania w energię elektryczną, 

• Około 50% promieniowania przekształcane jest w ciepło 

użytkowe. Chociaż w rezultacie tego połączenia sprawność 

kolektorów fotowoltaicznych ulega częściowemu 

zmniejszeniu, to jednak w sumie instalacje takie pozwalają 

łącznie spożytkować do 60% promieniowania słonecznego 

oraz są bardziej efektywne gdyż wykorzystywana jest 

wspólna powierzchnia dla kolektorów cieplnych i 

fotowoltaicznych 

 

 

Budowa systemu fotowoltaicznego 

(1)

• System fotowoltaiczny składa się z 

modułów, paneli lub kolektorów 

fotowoltaicznych, oraz elementów 

dostosowujących wytwarzany w ogniwach 

prąd stały do potrzeb zasilanych urządzeń. 

Gdy system jest przewidziany do 

dostarczania energii elektrycznej w nocy, 

konieczne jest stosowanie odpowiedniego 

systemu magazynowania energii 

(akumulator) wyprodukowanej w ciągu dnia. 

Jeżeli system zasila urządzenie 

stałoprądowe potrzebny jest kontroler 

napięcia. 

 

 

Budowa systemu fotowoltaicznego 

(2)

• Do zasilania z systemu fotowoltaicznego 

urządzeń zmiennoprądowych konieczne jest 

użycie falownika. Sprawność przetwornicy 

częstotliwości przy pełnym obciążeniu wynosi 

do 96%, a przy obciążeniu 10% najwyżej 85-

95%. 

• Potrzebna jest także odpowiednia konstrukcja 

kierująca moduły lub panele w kierunku Słońca 

oraz zabezpieczająca przed kradzieżą. Instalacja 

fotowoltaiczna z obrotowymi panelami jest 

wydajniejsza nawet o 35% w porównaniu do 

instalacji z panelami stacjonarnymi.

 

 

Informacje dodatkowe

• Dostępne obecnie na rynku są jedynie moduły wytwarzane z 

krzemu krystalicznego, krzemu amorficznego i CdTe. Moduły 

fotowoltaiczne są przeważnie płaskie i zawierają od 18 do 180 

monokrystalicznych lub polikrystalicznych ogniw krzemowych. 

Moc wyjściowa waha się od 30 Wp do 120 Wp. Sprawności 

modułów komercyjnych zwiększają się z roku na rok wraz z 

poprawą technologii. Większość nich ma czas życia co najmniej 

20 lat. 

• Czas zwrotu kosztów energii dla modułów z krzemu 

krystalicznego waha się od 2 do 6 lat w zależności od regionu i 

klimatu. 

• Większość dostępnych obecnie na rynku modułów z krzemu 

amorficznego ma sprawności pomiędzy 4 % i 8 %. Zwrot 

kosztów energii szacowany jest na 1 do 3 lat.

• Najlepsze moduły konstruowane są do zastosowań 

kosmicznych mają sprawności powyżej 20% i zawierają ogniwa 

słoneczne z arsenku galu o sprawności dochodzącej do 30%.

 

 

Informacje dodatkowe

Instalacja autonomiczna 
przeznaczona do urządzeń 
pracujących okresowo 

Instalacja hybrydowa z 
agregatem prądotwórczym 
uruchamiającym się          w 
przypadku braku promieniowania

Instalacja autonomiczna dla 
odbiorców pozbawionych sieci 
elektroenergetycznej 

Instalacja przyłączona do 
sieci elektroenergetycznej 

 

 

Science fiction

• Planuje się budowę słonecznych elektrowni 

kosmicznych na satelitach geostacjonarnych 

wykorzystując fakt, ze promieniowanie 

słoneczne na orbicie takiego satelity pozwala 

na uzyskanie co najmniej 10 razy więcej 

energii niż na Ziemię. Energia ta w postaci fal 

ultrakrótkich byłaby przesyłana na Ziemię, 

gdzie za pomocą falowników byłaby 

zamieniana na prąd przemienny. Jest to 

jednak technika XXI wieku – uruchomienie 

takiej instalacji planuje się na ok. 2030 r., 

choć brzmi to jak science fiction.