14. Ogniwa słoneczne − sprawność ogniw

Ogniwo słoneczne (ogniwo fotowoltaiczne, ogniwo fotoelektryczne, fotoogniwo) to element półprzewodnikowy, w którym następuje przemiana energii promieniowania słonecznego (światła) w energię elektryczną w wyniku zjawiska fotowoltaicznego.

Zjawisko fotowoltaiczne (efekt fotowoltaiczny) to zjawisko polegające na powstaniu siły elektromotorycznej w ciele stałym pod wpływem promieniowania świetlnego. W związku z tym należy do zjawisk fotoelektrycznych wewnętrznych. Zjawisko fotowoltaiczne jako pierwszy zauważył w roku 1839 Aleksander Edmund Becquerel.

Ogniwo słoneczne składa się z płytki z półprzewodnika posiadającej złącze PN. W strukturze takiej występuje pole elektryczne (bariera potencjału). W chwili, gdy na ogniwo pada światło słoneczne, powstaje para nośników o przeciwnych ładunkach elektrycznych, elektron - dziura, które zostają następnie rozdzielone przez pole elektryczne. Rozdzielone ładunki powodują, iż w ogniwie powstaje napięcie. Po dołączeniu obciążenia (urządzenia pobierającego energię) następuje przepływ prądu elektrycznego.

Budowy ogniwa słonecznego:

1. elektrody metalowe,

2. półprzewodnik typu N,

3. pole elektryczne (bariera potencjału),

4. półprzewodnik typu P,

Obecnie fotoogniwa najczęściej produkuje się z krzemu, który jest drugim (po tlenie) najpopularniejszym pierwiastkiem na kuli ziemskiej (występuje m.in. w piasku). Istnieje kilka technologii produkcji fotoogniw z krzemu:

1. Technologia krzemu monokrystalicznego. Ogniwa z krzemu monokrystalicznego wykonywane są z płytek o kształcie okrągłym, a następnie przycinane na kwadraty dla zwiększenia upakowania na powierzchni modułu. Monokrystaliczne ogniwa fotowoltaiczne wykazują najwyższe sprawności konwersji ze wszystkich ogniw krzemowych, ale również są najdroższe w produkcji. W badaniach laboratoryjnych pojedyncze ogniwa osiągają sprawności rzędu 24%. Ogniwa produkowane na skalę masową mają sprawności około 17%.

2. Technologia krzemu polikrystalicznego. 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 niż monokrystaliczne, ale ich koszt produkcji jest też trochę niższy.

3. Technologia krzemu amorficznego (a-Si). Ogniwa z krzemu amorficznego są powszechnie używane w produktach wymagających małej mocy zasilania (kalkulatory kieszonkowe, zegarki, itp.). 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.

Spośród wielu zalet instalacji fotowoltaicznych wymienić należy jako te najistotniejsze następujące cechy:

• żadne paliwo nie jest potrzebne, a zatem wszelkie problemy związane transportem i magazynowaniem paliwa są wyeliminowane

• żywotność wynosi 20-30 lat

• na skutek braku części ruchomych nie ulegają zużyciu, nie wymagają części zamiennych ani konserwacji

• energia elektryczna wytwarzana jest nawet w dni pochmurne poprzez wykorzystanie promieniowania rozproszonego

• instalacja nie wymaga żadnej obsługi ani konserwacji

• w czasie produkcji energii elektrycznej nie powstają żadne szkodliwe odpady zanieczyszczające środowisko

• brak kosztów eksploatacji.

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. Około 1960 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 ponad 25%.

Zastosowania:

• 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.

• Fotoogniwa są stosowane przede wszystkim jako trwałe, o dużej niezawodności źródła energii elektrycznej w elektrowniach słonecznych, kalkulatorach, zegarkach, sztucznych satelitach, samochodach z napędem hybrydowym, a także w automatyce jako czujniki fotoelektryczne i fotodetektory w fotometrii.

1

---