590

15. NOWE ŹRÓDŁA I TECHNOLOGIE WYTWARZANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ

W polskich warunkach, ze względu na wysoki udział promieniowania rozproszonego w całkowitym promieniowaniu słonecznym (rys. 15.35b), słoneczne technologie wysokotemperaturowe oparte na koncentratorach promieniowania słonecznego nie mają praktycznego znaczenia.

Metoda helioelektryczna polega na bezpośredniej przemianie energii promieniowania elektromagnetycznego (słonecznego) w energię elektryczną za pomocą ogniw fotoelektrycznych, z relatywnie dużą sprawnością 13 ~ 15%. Ta stosunkowo duża sprawność wynika z faktu, że energia promieniowania słonecznego zamienia się w energię elektryczną bez udziału ciepła.

Ogniwo fotoelektryczne (ogniwo fotowoltaiczne, ogniwo słoneczne) jest przetwornikiem, w którym przy wykorzystaniu zjawiska fotoelektrycznego zachodzi bezpośrednia przemiana energii promieniowania świetlnego w energię elektryczną. Promieniowanie słoneczne niesie energię rozłożoną dyskretnie w postaci kwantów promieniowania, zwanych fotonami. Energia fotonu zależy od częstotliwości promieniowania zgodnie z zależnością

E_f= hS

gdzie: h - stała Plancka, $ - częstotliwość związana z długością fali X promieniowania i prędkością c rozchodzenia się światła w próżni zależnością

c = 9X

Największą moc niosą fotony o małej długości fal.

Wyróżnia się wewnętrzne i zewnętrzne zjawisko fotoelektryczne. W pierwszym zjawisku energia fotonu pozwala zmienić poziom energetyczny elektronu (z niższego na wyższy), natomiast w drugim energia fotonu jest wystarczająca do emisji (wyrzucenia) elektronu z ciała. W ogniwach fotowoltaicznych wykorzystywany jest wewnętrzny efekt fotoelektryczny.

W ciałach stałych do wyjaśnienia zjawiska fotoelektrycznego stosuje się teorię pasmową, zgodnie z którą istnieją w nich dozwolone i niedozwolone (zabronione) dla elektronów pasma energetyczne. Najwyższe pasmo wypełnione całkowicie elektronami nazywa się pasmem walencyjnym (podstawowym), a sąsiednie wyżej położone - pasmem przewodnictwa.

W przewodnikach pasmo przewodnictwa pokrywa się częściowo z pasmem walencyjnym. Atom metalu dostarcza jeden lub dwa elektrony walencyjne, które tworzą swobodne elektrony. Atom, który oddał elektron, staje się nieruchomym jonem dodatnim, a więc nie bierze udziału w przewodnictwie prądu.

W budowie ogniw fotoelektrycznych stosowane są półprzewodniki elementarne pochodzące z IV grupy układu okresowego pierwiastków: krzem Si, german Ge, cyna Zn. Krzem jest najczęściej stosowanym półprzewodnikiem. Pierwiastki te mają zapełnione powłoki walencyjne do pełnej liczby ośmiu elektronów. W sieci krystalicznej czystego krzemu elektrony walencyjne (4 elektrony) tworzą kowalencyjne wiązanie chemiczne (rys. 15.38b) z innymi atomami, mając wspólne elektrony. Brak jest swobodnych elektronów, przeto czysty krzem jest izolatorem.

590