Ogniwa fotowoltaiczne – budowa i sposób działania

Co to jest ogniwo fotowoltaiczne?

Ogniwo fotowoltaiczne (fotoogniwo, ogniwo fotoelektryczne, ogniwo słoneczne) to podstawowy i jednocześnie najmniejszy element paneli słonecznych, którego zadaniem jest wytwarzanie energii elektrycznej.

W praktyce ogniwo fotowoltaiczne produkuje prąd stały, który następnie zamieniany jest przez falownik na prąd zmienny, po czym zostaje doprowadzony do instalacji elektrycznej.

Ogniwa wchodzą w skład paneli fotowoltaicznych, łączy się je w moduły, dzięki czemu możliwe jest uzyskanie wyższej mocy.

Ogniwo fotowoltaiczne – budowa

Najważniejszą rzeczą w przypadku fotoogniw jest to, aby spełniały funkcje półprzewodników. Dlatego do ich produkcji wykorzystuje się krzem, selen i german. Najczęściej zbudowane są z płytek krzemowych, które przyśpieszają zachodzenie zjawiska fotoemisji i łączą się z innymi pierwiastkami, jak selen.

Budowa ogniwa fotowoltaicznego jest stosunkowo prosta, element ten składa się z dwóch warstw półprzewodników. Pierwsza warstwa, stanowiąca cienką i przezroczystą powłokę, zawiera elektrodę ujemną i krzem typu N, natomiast druga krzem typu P oraz elektrodę dodatnią.

Warstwy te oddziela złącze P-N (półprzewodniki niesamoistne), które stanowi barierę potencjałów. Budowa ogniwa uwzględnia również dodanie powłoki antyrefleksyjnej nad elektrodą ujemną, znajdującą się na samej górze elementu.

Pojedyncze ogniwa fotowoltaiczne nie mają dużej mocy, dlatego łączy się je w moduły, panele fotowoltaiczne, co pozwala na uzyskanie odpowiedniego poziomu wydajności instalacji. Ogniwa łączy się w sposób szeregowy lub równoległy.

Rodzaje ogniw fotowoltaicznych

Wyróżnia się dwa rodzaje ogniw fotowoltaicznych. Są to:

• ogniwa monokrystaliczne;
• ogniwa polikrystaliczne.

Czym się różnią? Ogniwa monokrystaliczne rozpoznasz po kolorze czarnym. Cechują się największą efektywnością, produkują energię elektryczną w wydajny sposób, przy jednoczesnym wykorzystaniu jak najmniejszej powierzchni. Ich sprawność waha się między 15 a 19%.

Ponadto są trwałe, odporne i co za tym idzie, posiadają dłuższy okres gwarancji. A jakie mają wady? Są droższe, co zwiększa całkowity koszt instalacji fotowoltaicznej.

Ogniwa PV polikrystaliczne są tańsze w zakupie, umożliwiają szybszy zwrot kosztów. Zwiększają powierzchnię instalacji, a do tego ich sprawność jest niższa, na poziomie 14-16%. Posiadają niebieski kolor, co sprawia, że na pierwszy rzut oka można pomylić je z kolektorami słonecznymi. Ponadto ogniwa dzieli się na 3 generacje.

Ogniwa I generacji to wspomniane wcześniej konstrukcje mono- lub polikrystaliczne, oparte o złącza P-N. Są łatwo dostępne, posiadają wysoką sprawność i efektywność, a do tego współpracują z różnymi falownikami, które zamieniają prąd stały na zmienny. Mają jednak jedną, zasadniczą wadę – ich sprawność maleje w przypadku powstawania zacienienia, nawet wtedy, gdy jest to wywołane kurzem.

Ogniwa II generacji (cienkowarstwowe) zbudowane są z krzemu amorficznego, CIGS, czyli mieszaniny miedzi, indu, galu oraz selenu lub CdTe (tellurku kadmu). Są one tańsze od ogniw I generacji, ale ich sprawność wynosi maksymalnie 15% (najczęściej oscyluje na poziomie 10%).

Ogniwa III generacji charakteryzują się przede wszystkim brakiem złącza P-N. Ich zaletami jest niska cena, wykorzystanie nietoksycznych i łatwo dostępnych materiałów, a także to, że poddają się recyclingowi. W praktyce jednak niewiele osób się na nie decyduje ze względu na najniższą sprawność i krótką żywotność.

Zasada działania ogniw fotowoltaicznych

Skoro wyjaśniliśmy, jaka jest budowa ogniw fotowoltaicznych, czas skupić się nad zasadą ich działania, czyli jak to jest możliwe, że następuje zamiana promieniowania słonecznego w energię elektryczną.

Przypomnijmy, że ogniwo w górnej części posiada elektrody ujemne, które powodują nadmiar elektronów, natomiast w dolnej warstwie znajdują się elektrody dodanie, czego efektem jest niedobór elektronów.

Gdy na ogniwo słoneczne padają fotony, czyli najmniejsze jednostki światła, powodują wybijanie elektronów z pozycji, przemieszczanie się ich. Dzięki temu dochodzi do ruchu elektronów, który wywołuje przepływ prądu zamkniętego w obwodzie między górną a dolną płytką krzemową.

Jest to prąd stały, który, aby mógł zostać wykorzystany do zasilania sprzętów domowych, musi zostać zamieniony na prąd zmienny. Przez to produkcja energii nie może odbywać się bez inwertera (falownika), kolejnego elementu instalacji fotowoltaicznej.

Ogniwa fotowoltaiczne – podsumowanie

Chociaż sposób działania ogniw fotowoltaicznych jest podobny, to ze względu na budowę, różnią się one sprawnością i wydajnością. Na rynku wciąż dominują ogniwa I generacji, które są efektywne i trwałe, a wśród nich wyróżniają się ogniwa monokrystaliczne.

Jeśli nie wiesz, na jakie rozwiązanie się zdecydować, skontaktuj się z firmą OEM Energy, która doradzi w wyborze instalacji fotowoltaicznej.

źródło: OEM Energy

fot. otwierająca: Pixels