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/m2, 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 CO2.
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%.
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 (Cu2S-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
2
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 Id.
Rys. 3 Mechanizm fotowoltaiczny:
a) mechanizm powstania dziury,
3
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. 3c.
Energi fotonu przedstawia wzór:
hv
E hv == ( IV.1)
dla promieniowania s onecznego upraszcza si do postaci:
1,24
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 �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 :
IU
= 100% ( IV.3)
EA
I,U  odpowiednio nat enie pr du i napi cie elementu fotoelektrycznego,
A  powierzchnia fotoogniwa.
Sprawno fotoogniwa mo na równie wyrazi wzorem:
IkUoc FF
= 100% ( IV.4)
EA
Ik  pr d zwarcia,
Uoc  napi cie otwartego obwodu,
FF  wspó czynnik wype nienia charakterystyki.
4
Wspó czynnik FF charakteryzuj cy fotoogniwa jest stosunkiem pola prostok ta
wyznaczonego przez Ik i Uoc 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.
5
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
Voc  napi cie ogniwa otwartego (open  circuit voltage),
Isc  pr d zwarciowy (short  circuit current).
6
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:
Pmax = ImaxUmax ( 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
7
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 (Pmax) dostarczanej
przez komórk , pkt. ten okre laj warto ci napi cia i pr du, odpowiednio (Up i Ip),
" punkt w którym napi cie jest równe zeru i warto pr du jest maks. (pr d zwarcia-Iz),
" punkt który odpowiada zerowej warto ci pr du i maksymalnej warto ci napi cia
(napi cie przy otwartym obwodzie  Uo).
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
8
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 Id. 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 1 C) napi cie obwodu otwartego maleje (rz du 2mV
na 1 C). Moc maksymalna jest mniejsza (rz du 0,4% na 1 C). 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,
9
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
10
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 cm2) 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.
11
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 cm2, gdy tymczasem w dotychczasowej technologii 140 cm2. 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.
12
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 �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 �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. 107 km/s).
13
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/m2  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/m2.
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/m2 ą 10% (1000kW h/m2).
14
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
15