O

gniwa fotowoltaiczne stosowa-
ne sà zwykle do przetwarzania
promieniowania s∏onecznego na

energi´ elektrycznà. A promieniowanie
z zakresu widzialnego to praktycznie nie-
wyczerpalne êród∏o czystej i darmowej
energii. Jednak ogniwa fotowoltaiczne
mogà równie˝ dostarczaç znacznych ilo-
Êci energii elektrycznej, wykorzystujàc
promieniowanie z zakresu podczerwie-
ni – czyli promieniowanie cieplne, które
powstaje w wyniku spalania na przyk∏ad
ropy naftowej.

Ta mniej popularna technika, w której

stosuje si´ tzw. termiczne ogniwa foto-
woltaiczne (thermophotovoltaics), ma kil-
ka niespotykanych zalet – daje choçby
mo˝liwoÊç wytwarzania pràdu elek-
trycznego w nocy lub gdy niebo jest za-
chmurzone, dzi´ki czemu nie trzeba gro-
madziç energii w akumulatorach. W
pewnych warunkach wspomniane og-
niwa mogà pozwoliç na zastàpienie
konwencjonalnych sposobów wytwarza-
nia energii elektrycznej opartych na spa-
laniu kopalin. Ich sprawnoÊç, czyli pro-
cent energii zawartej w paliwie przetwo-
rzonej na elektrycznoÊç, mo˝e byç znacz-
nie wi´ksza ni˝ generatorów wykorzy-
stujàcych gaz ziemny czy inne paliwa ko-
palne. Ponadto system, którego pod-
stawà sà pó∏przewodnikowe ogniwa,
b´dzie przydatny w razie koniecznoÊci
zminimalizowania emisji zanieczyszczeƒ.
Co wi´cej, poniewa˝ ogniwa te nie zawie-
rajà ruchomych cz´Êci, mogà pracowaç
cicho i niezawodnie, prawie nie wyma-
gajàc konserwacji i napraw.

Mimo tych wszystkich zalet termiczne

ogniwa fotowoltaiczne nie cieszà si´ takà
popularnoÊcià jak ogniwa s∏oneczne, któ-
rych sprzeda˝ stanowi obecnie dobrze
prosperujàcy, chocia˝ niewielki segment
na rynku êróde∏ energii. Sytuacja mo˝e
si´ jednak zmieniç w najbli˝szej przysz∏o-
Êci. Technika ogniw termicznych, wywo-
dzàca si´ z tych samych badaƒ nauko-

68 Â

WIAT

N

AUKI

Listopad 1998

GENERATOR wykorzystujàcy termiczne ogni-
wa fotowoltaiczne przetwarza promieniowa-
nie cieplne na energi´ elektrycznà. Palnik (po-
Êrodku) emituje promieniowanie podczerwone,
które pada na promiennik (zielona obudowa).
Promiennik przekazuje nast´pnie promienio-
wanie o okreÊlonych d∏ugoÊciach fali do ma-
trycy ogniw fotowoltaicznych (siatka), które
zamieniajà energi´ cieplnà na elektrycznoÊç.

Termiczne

ogniwa fotowoltaiczne

Przyrzàdy pó∏przewodnikowe przetwarzajàce promieniowanie cieplne

na energi´ elektrycznà prawdopodobnie b´dà w przysz∏oÊci

oÊwietla∏y domostwa na odludziu i nap´dza∏y samochody

Timothy J. Coutts i Mark C. Fitzgerald

wych, które zaowocowa∏y powstaniem
ogniw s∏onecznych, wydaje si´ ju˝ rozwi-
jaç niezale˝nie.

Sama idea powsta∏a 40 lat temu. Nie-

które z podstawowych zasad dzia∏ania
przedstawi∏ jako pierwszy Pierre R.
Aigrain z École Normale Supérieure w
Pary˝u podczas serii wyk∏adów w 1956
roku. Na poczàtku lat szeÊçdziesiàtych
naukowcy pracujàcy dla U.S. Army w
Fort Monmouth (New Jersey) stworzy-
li pierwszy udokumentowany prototyp
generatora wykorzystujàcego ogniwa
termiczne. Jego sprawnoÊç by∏a jednak
mniejsza ni˝ 1%. Aby generator znalaz∏
zastosowanie w terenie, musia∏aby wy-
nosiç co najmniej 10–15%.

Pewien wzrost sprawnoÊci przynios∏y

badania prowadzone w koƒcu lat sie-
demdziesiàtych i na poczàtku osiemdzie-
siàtych, m.in. przez Electric Power Re-
search Institute w Palo Alto (Kalifornia),
Gas Research Institute z Chicago oraz
Stanford University, jednak zastosowane
materia∏y nie dostarcza∏y odpowiedniej
iloÊci ciep∏a do elementów przetwarzajà-
cych promieniowanie podczerwone na

elektrycznoÊç. U˝ycie nowych materia-

∏ów pomog∏o ostatnio naukowcom

wyjÊç z fazy eksperymentów.

Rynkowy debiut

Technika wykorzystujàca ter-

miczne ogniwa fotowoltaiczne

mo˝e ju˝ wkrótce znaleêç

pierwsze praktyczne zastoso-

wania. Pewna firma nale˝àca

do Pacific Northwest planuje

sprzeda˝ generatora s∏u˝àce-

go do zasilania elektryczne-

go wyposa˝enia jachtów.

Opracowuje si´ tak˝e m.in.

ma∏e generatory jako êród∏a

energii elektrycznej na s∏abo

zaludnionych obszarach lub

wyposa˝enie przemieszczajà-

cych si´ oddzia∏ów wojska. Tech-

nika ta mo˝e byç równie˝ wyko-

rzystana w samochodach hybry-

dowych, czyli nap´dzanych silnikiem

– zale˝nie od potrzeb – spalinowym lub
elektrycznym. Wreszcie termiczne ogni-
wa fotowoltaiczne mogà produkowaç
megawaty energii, przetwarzajàc nie
wykorzystanà energi´ cieplnà uwal-
nianà w procesach przemys∏owych i w
ten sposób przyczyniaç si´ do zaspoko-
jenia zapotrzebowania przemys∏u na
elektrycznoÊç.

Wytwarzanie energii elektrycznej

z promieniowania termicznego wymaga
systemu sk∏adajàcego si´ z wielu ele-
mentów. I tak êród∏o ciep∏a musi byç
sprz´˝one z tzw. promiennikiem, czyli
elementem emitujàcym promieniowa-

nie podczerwone o wybranych d∏ugo-
Êciach fali. Modu∏ pó∏przewodnikowy,
zawierajàcy matryc´ po∏àczonych ze so-
bà ogniw termicznych, powinien byç tak
zaprojektowany, by przetwarza∏ promie-
niowanie o konkretnych d∏ugoÊciach fa-
li na elektrycznoÊç. Zostanie ona nast´p-
nie wys∏ana do obwodu zewn´trznego
w celu wykonania u˝ytecznej pracy – na
przyk∏ad zasili lodówk´ na jachcie.
Wreszcie, aby system by∏ wystarczajàco
efektywny, nie wykorzystanà energi´
cieplnà nale˝y ponownie skierowaç do
promiennika. Niekiedy jej nadmiar mo-
˝e pos∏u˝yç do innych celów, choçby
ogrzewania pomieszczenia.

Ciep∏o dla ogniwa termicznego mo-

˝e pochodziç zarówno ze spalania pa-
liw kopalnych, jak i byç produktem
ubocznym reakcji jàdrowej. Ze wzgl´-
dów praktycznych w wi´kszoÊci ekspe-
rymentalnych systemów stosuje si´
zwyk∏e spalanie. Do zasilania ogniw ter-
micznych nadaje si´ równie˝ promie-
niowanie s∏oneczne wzmocnione dzi´-
ki zastosowaniu urzàdzeƒ zwanych
koncentratorami. Jednak koncentratory
promieniowania o stosunkowo niewiel-
kich rozmiarach, a tak˝e instalacje do
przechowywania ciep∏a w nocy nadal
znajdujà si´ we wst´pnych fazach opra-
cowania. Wielu ekspertów bierze rów-
nie˝ pod uwag´ jako êród∏o energi´ jà-
drowà. Jednak obawy spo∏eczeƒstwa
najprawdopodobniej ograniczà to roz-
wiàzanie do wyspecjalizowanych sy-
stemów, na przyk∏ad bezza∏ogowych
sond kosmicznych badajàcych zewn´-
trzne obszary Uk∏adu S∏onecznego, w
których z braku Êwiat∏a baterie s∏onecz-
ne przestajà funkcjonowaç.

Naukowcy pracujàcy nad skonstru-

owaniem palnika dostarczajàcego cie-
p∏o rozwa˝ajà zastosowanie pojemni-
ków zbudowanych z metalowych siatek
lub materia∏ów ceramicznych u˝ywa-
nych obecnie w przemys∏owych pro-
cesach suszenia papieru, farb czy te˝
produktów rolnych. Majà one du˝à po-
wierzchni´ i osiàgajà wymaganà tem-
peratur´ pracy – ponad 1000°C.

Zastosowanie promienników ciep∏a

jest konieczne, poniewa˝ pó∏przewodni-
kowe ogniwa fotowoltaiczne przetwa-
rzajàce promieniowanie termiczne na
elektrycznoÊç nie mogà bezpoÊrednio
wykorzystaç promieniowania emitowa-
nego podczas spalania paliwa. Pracujà
one wydajnie tylko w ÊciÊle okreÊlonym
przedziale d∏ugoÊci fal, tymczasem wid-
mo promieniowania wytwarzanego
przez p∏omieƒ zmienia si´ w sposób
trudny do przewidzenia (z powodu
przep∏ywu powietrza i fluktuacji tem-
peratury p∏omienia). Promienniki prze-
twarzajà wi´c dost´pnà energi´ cieplnà

na promieniowanie o ÊciÊle okreÊlonym
zakresie d∏ugoÊci fal i równomiernym
rozk∏adzie energii.

Promiennik mo˝e byç zbudowany ja-

ko p∏aska lub cylindryczna powierzchnia
czy te˝ jako matryca cienkich w∏ókien.
W∏asnoÊci tlenków pierwiastków ziem
rzadkich, takich jak iterb, erb czy holm,
pozwalajà na emisj´ promieniowania
podczerwonego w stosunkowo wàskich
przedzia∏ach d∏ugoÊci fal, podczas gdy
na przyk∏ad widmo promieniowania
w´glika krzemu jest znacznie szersze.

Budujàc ogniwa fotowoltaiczne, na-

ukowcy wybierajà takie materia∏y pó∏-
przewodnikowe, które najlepiej absor-
bujà zakres d∏ugoÊci fal promieniowania
wytwarzanego przez promienniki. D∏u-
goÊci te odpowiadajà mniej wi´cej wiel-
koÊci energii koniecznej, by uwolniç
elektrony, które w przeciwnym razie
pozosta∏yby zwiàzane z siecià krysta-
licznà pó∏przewodnika [ramka na stro-
nie 71]. Elektrony o najwi´kszej energii
rezydujà w tzw. paÊmie walencyjnym
kryszta∏u pó∏przewodnika. Pasmo to
obejmuje zakres dozwolonych pozio-
mów energii dla najbardziej zewn´trz-
nych zwiàzanych elektronów.

Elektron z pasma walencyjnego nie

mo˝e si´ poruszaç w krysztale. Gdy jed-
nak zaabsorbuje foton promieniowania
podczerwonego o odpowiedniej ener-
gii, wzbudza si´, przechodzàc do pa-
sma przewodnictwa, w którym mo˝e
si´ swobodnie przemieszczaç i tworzyç
pràd elektryczny. (Foton jest jednostkà,
czyli kwantem, energii promieniowa-
nia elektromagnetycznego. Zgodnie z
prawami mechaniki kwantowej ka˝de
promieniowanie elektromagnetyczne
ma zarówno cechy fali, jak i czàstki,
a energia fotonu okreÊla jednoznacznie
d∏ugoÊç odpowiadajàcej mu fali.) Ener-
gia fotonu konieczna do wzbudzenia
elektronu z pasma walencyjnego do pa-
sma przewodnictwa odpowiada szero-
koÊci pasma zabronionego i jest wyra-
˝ana w elektronowoltach.

Kiedy elektrony znajdà si´ ju˝ w pa-

Êmie przewodnictwa, przekraczajà gra-
nic´ z∏àcza p–n, poruszajàc si´ w jednym
kierunku bardziej swobodnie ni˝ w dru-
gim. Powsta∏e w ten sposób nagroma-
dzenie ujemnie na∏adowanych elektro-
nów po jednej stronie z∏àcza p–n po-
woduje powstanie ujemnego potencja∏u,
który zmusza elektrony do przemiesz-
czania si´ w postaci pràdu elektryczne-
go p∏ynàcego przez komórk´ ogniwa.
Aby zwi´kszyç iloÊç otrzymanej energii,
ogniwo fotowoltaiczne buduje si´ z wie-
lu po∏àczonych ze sobà komórek. Wy-
tworzony pràd mo˝e nast´pnie p∏ynàç
przez przewód pod∏àczony do lampy lub
sieci elektrycznej domu.

Â

WIAT

N

AUKI

Listopad 1998 69

70 Â

WIAT

N

AUKI

Listopad 1998

KOMÓRKA ogniwa fotowoltaicznego prze-
twarza promieniowanie cieplne na elek-
trycznoÊç, kiedy foton promieniowania pod-
czerwonego o wystarczajàcej energii pada
w pobli˝e z∏àcza p–n. Zderzajàc si´ z ato-
mem, foton uwalnia elektron i pozostawia
dziur´. Uwolniony elektron przemieszcza
si´ do obszaru typu n z∏àcza (takiego, w któ-
rym jest wi´cej elektronów ni˝ dziur), dziu-
ra natomiast do obszaru typu p (z przewa-
gà dziur). Elektrony migrujà nast´pnie
w kierunku kontaktu elektrycznego komór-
ki ogniwa i dalej przez zewn´trzny obwód
elektryczny, pojawiajàc si´ w koƒcu powtór-
nie w obszarze typu p, gdzie rekombinujà
z dziurami. JeÊli padajàcy foton ma energi´
mniejszà ni˝ szerokoÊç pasma zabronione-
go, zostaje odbity.

GENERATOR (fotografia i schemat) jest zbu-
dowany z palnika, w którym aby wytworzyç
ciep∏o, spala si´ wymieszane z powietrzem
paliwo, oraz promiennika podczerwieni oto-
czonego baterià ogniw fotowoltaicznych
z przymocowanymi ˝eberkami ch∏odzàcy-
mi. Gdy nast´puje zap∏on, promiennik na-
grzewa si´ do temperatury co najmniej
1250°C. Wtedy 48 po∏àczonych szeregowo
ogniw z antymonku galu przetwarza pro-
mieniowanie podczerwone emitowane przez
promiennik na pràd elektryczny. Pewna
cz´Êç wytwarzanej energii elektrycznej za-
sila wentylator wytwarzajàcy strumieƒ po-
wietrza do ch∏odzenia ogniwa. Jej nadwy˝-
ka gromadzona jest w akumulatorze na
póêniej. W optymalnej temperaturze pracy
generator dostarcza co najmniej 30 W. Do-
datkowo wydzielajàce si´ ciep∏o mo˝e zo-
staç u˝yte do ogrzania pomieszczenia.

SLIM FILMS; PATRICK BENETT

(zdj´cie)

Post´p w dziedzinie materia∏ów u˝y-

wanych do budowy ogniw fotowolta-
icznych pozwoli∏ in˝ynierom zwi´kszyç
iloÊç otrzymywanej energii elektrycz-
nej. Mogà oni wybraç ogniwo, którego
w∏asnoÊci absorpcyjne najlepiej pasujà
do widma emitowanego przez konkret-
ny promiennik. TrudnoÊci w doborze od-
powiedniej pary promiennik–ogniwo
by∏y w ubieg∏ych latach g∏ównà prze-
szkodà w rozwoju tych êróde∏ energii.

W pierwszych wersjach generatorów

fotowoltaicznych u˝ywano promienni-
ków o bardzo wàskim zakresie d∏ugo-
Êci fal. Promienniki wykonane z tlenku
iterbu cz´sto zestawiano z krzemowy-
mi ogniwami fotowoltaicznymi, dla któ-
rych szerokoÊç pasma zabronionego wy-
nosi 1.14 eV.

Teoretycznie promiennik charaktery-

zujàcy si´ bardzo wàskim widmem wy-
daje si´ bardziej efektywny ni˝ wykona-
ny z materia∏u promieniujàcego w sze-
rokim zakresie d∏ugoÊci fal. Fotony emi-
towane przez taki selektywny promien-
nik powinny dostarczaç minimum ener-
gii niezb´dnej do wzbudzenia elektronu
w ogniwie z pasma walencyjnego do pa-
sma przewodnictwa. W innym przypad-
ku ka˝dy nadmiar energii by∏by tracony
jako rozpraszajàce si´ ciep∏o. Tak wi´c se-
lektywne promienniki powinny dawaç
taƒszà energi´. W praktyce jednak nie
osiàgn´∏y nigdy zak∏adanej sprawnoÊci.
Promienniki nie uzyskiwa∏y ze spalanych
paliw wystarczajàcej iloÊci energii (którà
mog∏yby wyemitowaç w postaci promie-
niowania o precyzyjnie okreÊlonej d∏u-
goÊci fali wymaganej przez materia∏ taki
jak krzem), aby uczyniç proces przetwa-
rzania odpowiednio wydajnym, czyli ˝e-
by otrzymana iloÊç energii elektrycznej
by∏a dostateczna.

Ponadto aby da∏o si´ uzyskaç nat´˝e-

nie promieniowania zapewniajàce u˝y-

tecznà wielkoÊç pràdu, promienniki mu-
szà pracowaç w temperaturze 2000°C. Ta-
kie rozgrzanie prowadzi czasem do na-
pr´˝eƒ w materiale promiennika oraz
innych elementów generatora i skraca ˝y-
wot ca∏ego urzàdzenia. Co wi´cej, spala-
niu w tak wysokich temperaturach towa-
rzyszy emisja szkodliwych tlenków azotu.

Post´p w dziedzinie generatorów fo-

towoltaicznych dokona∏ si´ dzi´ki te-
mu, ˝e naukowcy nauczyli si´ dobieraç
promienniki emitujàce promieniowanie
o szerokim widmie do pó∏przewodni-
ków, które potrafià je absorbowaç. Pro-
mienniki szerokopasmowe, takie jak
w´glik krzemu, efektywnie pracujà w
ni˝szych temperaturach, nie przekra-
czajàcych 1000°C. Emitowane przez nie
promieniowanie mo˝e byç przetwarza-
ne przez pó∏przewodniki opracowane
na potrzeby przemys∏u ogniw s∏onecz-
nych, utworzone z pierwiastków z III
i V grupy uk∏adu okresowego (tzw.
zwiàzki pó∏przewodnikowe grupy
AIII–BV), na przyk∏ad antymonek ga-
lu lub arsenek galowo-indowy. Szero-
koÊç pasma zabronionego, czyli energia
absorbowanych fotonów, dla zwiàz-
ków z grupy AIII–BV wynosi zwykle
0.5–0.7 eV i jest znacznie mniejsza ni˝
1.14 eV dla krzemu.

˚aden generator fotowoltaiczny nie

potrafi przetworzyç na pràd elektrycz-
ny ca∏ego promieniowania podczerwo-
nego. ˚aden foton o energii mniejszej
ni˝ szerokoÊç pasma zabronionego nie
wzbudzi elektronu z pasma walencyj-
nego do pasma przewodnictwa, a wi´c
nie przyczyni si´ do wytworzenia elek-
trycznoÊci. JeÊli nie znajdzie si´ sposobu
na powtórne jego u˝ycie, nie wykorzy-
stany foton zostanie stracony. Typowym
elementem sk∏adowym generatora jest
wi´c system odzyskiwania fotonów, od-
prowadzajàcy fotony o ni˝szej energii

WYDECH

SZYBKA
KWARCOWA

OKNO

PALNIK

WLOT PROPANU

POWIETRZE
CH¸ODZÑCE

WENTYLATOR

POWIETRZE

DO KOMORY SPALANIA

OGNIWA
FOTOWOLTAICZNE

CH¸ODZÑCE
˚EBERKA

PROMIENNIK

OGRZEWANIE
POMIESZCZENIA

ELEKTRON

DZIURA

ATOM

REKOMBINACJA

DZIURY I ELEKTRONU

PÓ¸PRZEWODNIK

TYPU N

PÓ¸PRZEWODNIK

TYPU P

FOTON

ODBITY FOTON

LUSTRO

KWARCOWE

KONTAKT

ELEKTRYCZNY

SLIM FILMS

z powrotem do promiennika, gdzie sà
absorbowane. Dzi´ki temu przyczyniajà
si´ do utrzymania wysokiej temperatu-
ry oraz zaoszcz´dzenia paliwa i w rezul-
tacie wi´cej wyemitowanych fotonów
osiàga energi´ wystarczajàcà do wzbu-
dzenia elektronu.

Odzyskaç nie wykorzystane fotony

Konstruktorzy generatorów fotowol-

taicznych wypróbowali wiele sposobów
odzyskiwania fotonów, w tym u˝ycie
sieci mikroskopijnych metalowych an-
ten. Anteny mogà byç cienkimi war-
stwami metalu umieszczonymi pomi´-
dzy promiennikiem a ogniwem, które
przepuszczajà fale o po˝àdanej d∏ugoÊci

do ogniwa, pozosta∏e natomiast odbija-
jà w kierunku promiennika. Wiele spo-
sobów odzyskiwania fotonów si´ nie
sprawdzi∏o. Niektóre wy∏apywa∏y fale
ze zbyt wàskiego zakresu, inne okaza∏y
si´ nadmiernie kosztowne. Obecnej naj-
bardziej obiecujàcym rozwiàzaniem jest
„reflektor koƒcowy” – nazwany tak, po-
niewa˝ nie zaabsorbowane fotony prze-
nikajà ca∏kowicie warstwy ogniw, po
czym sà zawracane do promiennika
przez silnie odbijajàce z∏ote zwierciad∏o
umieszczone za ogniwami.

Naukowcy na ca∏ym Êwiecie wypró-

bowujà ró˝ne Êrodki techniczne pozwa-
lajàce na opracowanie generatorów fo-
towoltaicznych oraz uczynienie z nich
nadajàcych si´ do zastosowania w prak-

tyce êróde∏ energii. Od roku 1994 spoty-
kali si´ trzykrotnie na konferencjach
sponsorowanych przez National Rene-
wable Energy Laboratory (NREL – Kra-
jowe Laboratorium Energii Odnawial-
nej) Departamentu Energii. Programy
badawcze w tej dziedzinie sà finanso-
wane przez Defence Advanced Re-
search Projects Agency (DARPA), De-
partament Energii (DOE) oraz U.S.
Army Research Office.

Entuzjazm naukowców budzà wyni-

ki badaƒ laboratoryjnych. Istnieje szan-
sa, ˝e gdy zastosuje si´ promienniki pra-
cujàce w temperaturze 1500°C oraz
ogniwa fotowoltaiczne z pojedynczym
z∏àczem p–n, z 1 cm

2

ogniwa uda si´

uzyskaç 3–4 W.

Â

WIAT

N

AUKI

Listopad 1998 71

T

ermiczne ogniwa fotowoltaiczne wykorzystujà w∏aÊciwoÊç pó∏-
przewodników, polegajàcà na powstawaniu pràdu w wyniku

absorpcji padajàcego na kryszta∏ fotonu. Elektrony w materiale pó∏-
przewodnikowym obsadzajà pewnà liczb´ dok∏adnie zdefiniowa-
nych poziomów energetycznych, zwanych pasmami energetycz-
nymi (na schemacie z lewej). Ka˝de pasmo okreÊla wielkoÊç energii
koniecznej do uwolnienia elektronu. Najwy˝ej po∏o˝one, na którym
jednak elektrony nie mogà si´ jeszcze swobodnie poruszaç w krysz-
tale pó∏przewodnika, nosi nazw´ pasma walencyjnego.

Aby si´ swobodnie przemieszczaç w obr´bie kryszta∏u pó∏prze-

wodnika, elektrony w paÊmie walencyjnym muszà uzyskaç do-
datkowà energi´, która pozwoli
im przejÊç do wy˝szego pasma
energetycznego – pasma prze-
wodnictwa. Pomi´dzy tymi dwo-
ma pasmami znajduje si´ sze-
reg poziomów energetycznych,
które nie mogà byç obsadzone
przez elektrony. Obszar ten zwa-
ny jest przerwà energetycznà lub
pasmem zabronionym.

W

pó∏przewodniku pasmo

przewodnictwa jest cz´Êciowo
obsadzone przez elektrony, któ-
re tworzà ujemny ∏adunek elek-
tryczny powsta∏y na skutek wpro-
wadzenia do pó∏przewodnika
domieszek. RównoczeÊnie w pa-
Êmie walencyjnym puste pozio-
my energetyczne – miejsca, gdzie brakuje elektronów, zwane
dziurami – tworzà dodatni ∏adunek elektryczny.

JeÊli pó∏przewodnik ma wi´cej elektronów w paÊmie przewod-

nictwa ni˝ dziur w paÊmie walencyjnym, nazywany jest pó∏prze-
wodnikiem typu n (negative). Gdy dziur jest wi´cej ni˝ elektro-
nów, pó∏przewodnik jest typu p (positive).

JeÊli po∏àczymy dwa kryszta∏y pó∏przewodnika, jeden typu n,

a drugi typu p, powstanie tzw. z∏àcze p–n, czyli dioda. Ujemnie na-
∏adowane elektrony z obszaru typu n b´dà przemieszczaç si´
w kierunku kryszta∏u typu p, a dodatnio na∏adowane dziury z ob-
szaru p do kryszta∏u typu n. W rezultacie po stronie p powstaje
ujemny ∏adunek elektryczny, a po stronie n z∏àcza – ∏adunek do-
datni. Utworzy si´ tzw. bariera potencja∏u powstrzymujàca pro-
ces przemieszczania si´ dziur i elektronów, dzi´ki czemu zosta-
nie osiàgni´ty stan równowagi (na schemacie z prawej). Stan ten
ulega zaburzeniu, gdy na z∏àcze p–n pada foton – podstawowa

czàstka promieniowania elektromagnetycznego. JeÊli zaabsor-
bowane zostanà fotony o energii równej lub wi´kszej ni˝ szerokoÊç
pasma zabronionego, elektrony z pasma walencyjnego wzbudzà
si´ i przejdà do pasma przewodnictwa; tym samym w paÊmie wa-
lencyjnym powstanà dodatkowe dziury.

W wyniku zaburzenia koncentracji dziur i elektronów niektóre

elektrony przemieszczà si´ na stron´ n, a cz´Êç dziur na stron´
p z∏àcza. W rezultacie nastàpi pewna kompensacja ∏adunków
zgromadzonych po obu stronach z∏àcza p–n, co doprowadzi do
zmniejszenia si´ bariery potencja∏u (skrajnie z prawej). Teraz no-
Êniki, dziury i elektrony, b´dà mog∏y pop∏ynàç dalej do zewn´trz-

nego uk∏adu elektrycznego jako
pràd elektryczny wywo∏any pro-
mieniowaniem Êwietlnym. Zjawi-
sko to nosi nazw´ efektu foto-
woltaicznego.

SzerokoÊç pasma zabronione-

go, czyli energia potrzebna do
wzbudzenia elektronu z pasma
walencyjnego do pasma prze-
wodnictwa, stanowi o zasadni-
czej ró˝nicy pomi´dzy ogniwem
baterii s∏onecznej a termicznym
ogniwem fotowoltaicznym. W ty-
powym ogniwie s∏onecznym sze-
rokoÊç ta wynosi zwykle oko∏o
1.5 eV i odpowiada d∏ugoÊci fali
(energii fotonu) promieniowania
widzialnego, w termicznym ogni-

wie fotowoltaicznym natomiast szerokoÊç pasma to 0.5–0.7 eV,
co odpowiada d∏ugoÊci fali promieniowania podczerwonego.

Ta ró˝nica w szerokoÊci pasma zabronionego nie oznacza oczy-

wiÊcie, ˝e bateria s∏oneczna musi produkowaç wi´cej energii elek-
trycznej. W przypadku baterii s∏onecznej absorbowane sà fotony
wyemitowane ze S∏oƒca, którego temperatura si´ga 6000°C. Fo-
tony absorbowane przez termiczne ogniwo fotowoltaiczne emi-
towane sà przez znacznie ch∏odniejsze obiekty – o temperaturze
1000–1700°C. Jednak iloÊç energii Êwietlnej padajàcej na ter-
miczne ogniwo jest znacznie wi´ksza ni˝ padajàcej na ogniwo
s∏oneczne, odleg∏oÊç pomi´dzy S∏oƒcem a Ziemià wynosi bo-
wiem oko∏o 130 mln km, podczas gdy typowa odleg∏oÊç pomi´dzy
ogniwem termicznym a promieniujàcym obiektem oko∏o 2 cm.
IloÊç energii elektrycznej, wytworzonej przez termiczne ogniwo
fotowoltaiczne, jest wi´c potencjalnie znacznie wi´ksza ni˝ ta,
którà daje ogniwo s∏oneczne.

Zjawisko fotowoltaiczne

ABSORPCJA FOTONU w pó∏przewodniku daje poczàtek zjawisku
fotowoltaicznemu.

SLIM FILMS

Z¸ÑCZE P–N

STAN

RÓWNOWAGI

PO ABSORPCJI

FOTONU

N

P

PASMO

PRZEWO-

DNICTWA

PASMO

ZABRONIONE

BARIERA POTENCJA¸U

FOTON

PASMO

WALENCYJNE

ELEKTRON

DZIURA

Z¸ÑCZE

DIODOWE

ELEKTRON ZWIÑZANY

N

N

P

P

Rozwa˝a si´ te˝ zastosowanie ogniw

z wieloma z∏àczami p–n, czyli rozwià-
zanie typowe dla ogniw s∏onecznych.
Ogniwa z wieloma z∏àczami pozwo-
li∏yby na przetwarzanie promienio-
wania o szerszym widmie, dzi´ki cze-
mu wzrós∏by stopieƒ wykorzystania
promienników szerokopasmowych. Po-
szczególne z∏àcza wytwarza∏yby pràd,
absorbujàc fotony o innych energiach.
Teoretycznie ogniwa wieloz∏àczowe
mog∏yby osiàgnàç poziom 5–6 W z
1 cm

2

. Dla porównania: typowa p∏asko-

panelowa matryca ogniw s∏onecznych
daje 15 mW/cm

2

. Chocia˝ te przewidy-

wania sà wynikiem symulacji kompu-
terowych i rzeczywiste ogniwa na pew-
no nie b´dà tak wydajne, pierwsze
prototypowe urzàdzenia produkujà jed-
nak powy˝ej 1 W/cm

2

.

Mozolne i trudne prace nad zapro-

jektowaniem i budowà generatora foto-
woltaicznego prowadzi si´ w kilku pry-
watnych i rzàdowych laboratoriach.
Uzyskanie wystarczajàcych iloÊci ener-
gii z takich urzàdzeƒ wymaga po∏àcze-
nia ze sobà wielu pojedynczych ogniw.
Na jednoczesne wytworzenie du˝ej ich
liczby na tzw. p∏ytce pod∏o˝owej po-
zwalajà tradycyjne procesy technolo-
giczne stosowane w przemyÊle mikro-
elektronicznym. Wyprodukowane tà

metodà matryce zademonstrowali na-
ukowcy z NREL oraz pracujàcy nieza-
le˝nie badacze ze Spire Corporation w
Bedford (Massachusetts), a tak˝e z NASA
Lewis Research Center. Szczególnie in-
teresujàce rozwiàzanie przedstawili Scott
Ward i Mark Wanlass z NREL, którzy
po∏àczyli szeregowo ma∏e pojedyncze
ogniwa. Przewody biegnà wzd∏u˝ gór-
nej powierzchni jednego ogniwa, a póê-
niej pod spodem kolejnego w konfigu-
racji, która zapewnia zmniejszenie prze-
p∏ywu pràdu, zwi´kszenie napi´cia i
zminimalizowanie strat mocy.

Rezultatem tego rozwiàzania mog∏a-

by byç p∏ytka pod∏o˝owa z wieloma po-
jedynczymi ogniwami, która mia∏aby
tylko dwa doprowadzenia konieczne
do pod∏àczenia odbiornika – na przy-
k∏ad pompy lub domku w lesie. Wi´k-
sza liczba takich p∏ytek pozwoli∏aby
osiàgnàç wymaganà moc wyjÊciowà ge-
neratora. Integracja pojedynczych ogniw
na p∏ytce pod∏o˝owej zmniejszy∏aby
prawdopodobnie koszty technologii,
poniewa˝ ogniwa wytwarzano by w
standardowym procesie.

Scott i Wanlass zastosowali w swoim

prototypie równie˝ nowà technik´ odzy-
skiwania fotonów. Obszary elektrycz-
nie aktywne znajdujà si´ na górnej po-
wierzchni p∏ytki fosforku indu. Po-

niewa˝ materia∏ ten nie przewodzi prà-
du, a wi´kszoÊç elektronów jest stosun-
kowo mocno zwiàzana z siecià krysta-
licznà pó∏przewodnika, fotony o niskiej
energii przenikajà swobodnie przez
pod∏o˝e, nie absorbowane przez elek-
trony z pasma przewodnictwa. Docie-
rajà wi´c do dolnej powierzchni p∏ytki,
tam ulegajà odbiciu od warstwy z∏ota
tworzàcej zwierciad∏o i wracajà do pro-
miennika. W innych prototypowych
ogniwach nie wykorzystane fotony sà
absorbowane przez pod∏o˝e, na którym
wykonano ogniwa.

Prace badawcze nad generatorami fo-

towoltaicznymi trwajà, a tymczasem
pierwsze produkty komercyjne pojawià
si´ niebawem na rynku. Firma JX Cry-
stal z Issaquah (stan Waszyngton) opra-
cowa∏a urzàdzenie o nazwie Midnight
Sun, g∏ównie do ∏odzi ˝aglowych. Sze-
roki na 14 cm i wysoki na 43 cm cylin-
dryczny grzejnik zasilany propanem
mo˝e dostarczyç 30 W mocy i jest prze-
znaczony do ∏adowania akumulatorów
zasilajàcych aparatur´ nawigacyjnà i in-
ne elektryczne elementy wyposa˝enia
jachtu. Urzàdzenie ma nie tylko wytwa-
rzaç energi´ elektrycznà, ale równie˝
odgrywaç rol´ dodatkowego generato-
ra s∏u˝àcego do ogrzewania kabiny.
Sk∏ada si´ z cz´Êciowo selektywnego

72 Â

WIAT

N

AUKI

Listopad 1998

PROMIENNIKI emitujà promieniowanie w wàskim (selektyw-
ne) bàdê szerokim (szerokopasmowe) zakresie d∏ugoÊci fal, prze-
twarzane nast´pnie przez pó∏przewodnikowe ogniwa fotowolta-
iczne na energi´ elektrycznà. Promienniki selektywne, wykonane
z pierwiastków ziem rzadkich, emitujà mniej fotonów o energii
wi´kszej lub równej pasmu zabronionemu wywo∏ujàcych prze-
p∏yw pràdu (obszar czerwony). W przypadku szerokopasmowych
natomiast do ogniwa dociera wi´ksza iloÊç u˝ytecznej energii (ob-
szar niebieski). Fotony o niewystarczajàcej energii – na rysunku
z prawej od pasma zabronionego – sà rozpraszane w postaci ciep∏a.

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

1.5

PROMIENNIK
SZEROKOPASMOWY

PASMO
ZABRONIONE

PROMIENNIK
SELEKTYWNY

D¸UGOÂå FALI (MIKROMETRY)

2

2.5

3

WIDMO MOCY PROMIENIOWANIA

(WATY NA METR KWADRATOWY NA MIKROMETR)

PASMO
ZABRONIONE

ODLEG¸OÂå MI¢DZY ATOMAMI (ANGSTREMY)

2.0

1.5

1.0

0.5

0

0.7

5.4

5.6

5.8

6.0

6.2

6.4

6.6

PASMO ZABRONIONE (ELEKTRONOWOLTY)

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.5

2.0

5.0

D

¸UGO

Âå

FALI (MIKROMETRY)

ARSENEK
GALU

FOSFOREK
INDU

ANTYMONEK
GLINU

WYMAGANA
PRZERWA
ENERGETYCZNA

ANTYMONEK
GALU

ARSENEK
INDU

ANTYMONEK INDU

BUDUJÑC OGNIWA ze stopów ró˝nych pierwiastków III
i V grupy uk∏adu okresowego mo˝na otrzymaç pó∏prze-
wodniki o po˝àdanej szerokoÊci pasma zabronionego – ilo-
Êci energii potrzebnej do wzbudzenia elektronu, czyli jego
przejÊcia do pasma przewodnictwa. SzerokoÊç 0.5–0.7 eV
(obszar zacieniony) jest idealna dla termicznych ogniw fo-
towoltaicznych i pasuje do coraz krótszych d∏ugoÊci fali
emitowanych przez promiennik. Mo˝na jà otrzymaç dzi´-
ki ∏àczeniu zwiàzków takich jak antymonek galu i anty-
monek indu w proporcjach reprezentowanych przez krop-
ki na czerwonych liniach. Znajàc odleg∏oÊci pomi´dzy
atomami (dolna oÊ), technolodzy potrafià ∏àczyç ró˝ne
zwiàzki o odmiennych strukturach krystalicznych.

SLIM FILMS

promiennika ze stopu glinianu magne-
zu oraz po∏àczonych szeregowo ogniw
fotowoltaicznych z antymonku galu.

Chocia˝ Midnight Sun kosztuje obec-

nie 3000 dolarów, czyli wi´cej ni˝ tra-
dycyjny generator z silnikiem Diesla, pra-
cuje cicho i powinien byç bardziej nie-
zawodny, poniewa˝ nie zawiera rucho-
mych cz´Êci. Taƒsza wersja urzàdzenia,
w którym zastàpiono by elementy ze sta-
li i mosiàdzu, konieczne w morskim,
agresywnym Êrodowisku, wykonanymi
z mniej kosztownych materia∏ów, zapew-
ne zainteresowa∏aby równie˝ w∏aÊcicie-
li przyczep lub domków na odludziu.

Mimo obecnych wad generatorów

z selektywnymi radiatorami naukowcy
wcià˝ nad nimi pracujà. W celu zapro-
jektowania dla wojska generatora zasi-
lanego benzynà, którego zadaniem by-
∏oby dostarczanie energii elektrycznej
do urzàdzeƒ telekomunikacyjnych al-
bo laptopów w warunkach polowych,
DARPA stworzy∏a grup´ badawczà
Thermo Power’s Tecogen w Waltham
(Massachusetts). To samo urzàdzenie
mog∏oby na przyk∏ad równie˝ pos∏u˝yç
do awaryjnego zasilania domu w przy-
padku przerwy w dostawie energii.
W modu∏ach o mocy 150 W lub 300 W
wykorzystano selektywne promienniki
sprz´˝one z ogniwami krzemowymi.
Wielowarstwowe filtry izolacyjne zapo-
biegajà stratom energii.

Choç generatory wykorzystujàce ter-

miczne ogniwa fotowoltaiczne ciàgle
znajdujà si´ w stadium badaƒ i ekspery-
mentów, stwarzajà nadziej´ na kilka
specjalistycznych zastosowaƒ. W dal-
szej przysz∏oÊci zacznà prawdopodob-
nie odgrywaç pewnà rol´ na Êwiato-
wym rynku êróde∏ energii. Termin
„zastosowanie specjalistyczne” sugeru-
je niewielkà produkcj´ dla kilku klien-
tów. Ale Êwiat jest wype∏niony takimi
w∏aÊnie wartymi miliardy dolarów ni-
szami rynkowymi, których poczàtki by-
wa∏y skromne. Thomas J. Watson, za∏o-
˝yciel IBM, pierwotnie przewidywa∏, ˝e
Êwiatowy rynek komputerów to zaled-
wie kilkadziesiàt sztuk, a mimo to zde-
cydowa∏ si´ rozpoczàç dzia∏alnoÊç.

Widoki na przysz∏oÊç

Odzyskiwanie ciep∏a traconego w

przemyÊle stwarza potencjalnie ogrom-
ny rynek dla termicznych ogniw foto-
woltaicznych. W wielu ga∏´ziach prze-
mys∏u (np. podczas produkcji szk∏a,
aluminium, stali) uwalniane sà ogrom-
ne iloÊci ciep∏a. Producenci szk∏a szacu-
jà, ˝e oko∏o

2

/

3

zu˝ywanej przez nich

energii ulatnia si´, co mo˝e oznaczaç
utrat´ gigawatogodzin. Do odzyskiwa-
nia traconego niepotrzebnie ciep∏a mo˝-
na by stosowaç termiczne ogniwa foto-
woltaiczne. Przynios∏oby to ogromne

oszcz´dnoÊci. Innym obiecujàcym za-
stosowaniem ogniw jest zasilanie samo-
chodów o nap´dzie hybrydowym, co
zademonstrowa∏ Western Washington
University. Zamontowany w tym po-
jeêdzie generator o mocy 10 kW stano-
wi uzupe∏nienie silnika spalinowego.

Bran˝a generatorów wykorzystujà-

cych termiczne ogniwa fotowoltaiczne
jest warta obecnie nie wi´cej ni˝ 20–
40 mln dolarów rocznie. Tyle naukow-
cy otrzymujà na prace nad ogniwami,
promiennikami i konstrukcjà prototy-
pów. Ostatnie badanie rynku przepro-
wadzone na zlecenie NREL wykaza∏o
jednak, ˝e w 2005 roku wartoÊç sprze-
da˝y w tym sektorze mo˝e osiàgnàç
500 mln dolarów. Zysków nale˝y ocze-
kiwaç w wyniku zast´powania ogniwa-
mi ma∏ych generatorów o mocy poni-
˝ej 2 kW (nap´dzanych silnikami Diesla)
i wykorzystywanych obecnie przez woj-
sko oraz w przyczepach kempingowych
i na ∏odziach ˝aglowych. Zastosowanie
generatorów z termicznymi ogniwami
fotowoltaicznymi mo˝e doprowadziç
do nowych rozwiàzaƒ w zakresie czyst-
szych, bardziej wydajnych i taƒszych
êróde∏ energii. Niewykluczone, ˝e tech-
nika, której poczàtki si´gajà lat pi´çdzie-
siàtych, na prze∏omie wieków dowie-
dzie swojej przydatnoÊci.

T∏umaczy∏

Zbigniew Jaworski

Â

WIAT

N

AUKI

Listopad 1998 73

Literatura uzupe∏niajàca

THE FIRST NREL CONFERENCE ON THERMOPHOTOVOLTAIC GENE-

RATION OF ELECTRICITY

. Timothy J. Coutts i John P. Benner, w:

AIP Conference Proceedings, vol. 321; AIP Press, 1995.

THE SECOND NREL CONFERENCE ON THERMOPHOTOVOLTAIC

GENERATION OF ELECTRICITY

. Red. John P. Benner, Timothy J.

Coutts i David S. Ginley, w: AIP Conference Proceedings, vol.

358; AIP Press, 1996.

THE THIRD NREL CONFERENCE ON THERMOPHOTOVOLTAIC

GENERATION OF ELECTRICITY

. Red. Timothy J. Coutts, Carole

S. Allman i John P. Benner, w: AIP Conference Proceedings,

vol. 401; AIP Press, 1997.

Informacje o autorach

THIMOTHY J. COUTTS i MARK C. FITZGERALD od wielu lat zajmujà si´ od-

nawialnymi êród∏ami energii i zwiàzanymi z tà dziedzinà zagadnieniami.

Coutts specjalizuje si´ w ogniwach s∏onecznych od 1972 roku; jest badaczem

Centrum Ogniw Fotowoltaicznych w nale˝àcym do DOE Krajowym Labora-

torium Energii Odnawialnej (NREL) w Golden (Kolorado). Kszta∏ci∏ si´ w New-

castle Polytechnic w Wielkiej Brytanii; obroni∏ tam prac´ doktorskà z fizyki cien-

kich warstw. W NREL pracuje zarówno nad ogniwami s∏onecznymi, jak i

fotowoltaicznymi. Fitzgerald jest prezesem Science Communications w High-

lands Ranch (Kolorado), firmy zajmujàcej si´ konsultacjami w dziedzinie

ogniw fotowoltaicznych. Ma za sobà 19 lat dzia∏alnoÊci edukacyjnej w zakre-

sie energii odnawialnej.

EKSPERYMENTALNY SAMOCHÓD zaprojektowany w Western Washington
University jest cz´Êciowo zasilany przez generator fotowoltaiczny.

TORE OFTENESS