Fotowoltaika – podstawy

zielony domek

1. Wstęp

Fotowoltaika (Photovoltaics) - termin ten pochodzi od złożenia dwóch słów – “photon” oznaczającego najmniejszą jednostkę energii słonecznej oraz “voltaic” oznaczającego napięcie, które tworzy się wskutek padających fotonów. Otrzymujemy więc określenie elektryczności pochodzącej z energii słońca.

Początki fotowoltaiki sięgają XIX wieku kiedy to francuski uczony nazwiskiem Becquerel odkrył efekt fotowoltaiczny (efekty powstania siły elektromotorycznej pod wpływem promieniowania słonecznego). Pierwsze ogniwo fotowoltaiczne powstało w 1883 roku, wykonane było z półprzewodnikowego selenu z cienką warstwą złota. Sprawność urządzenia wynosiła zaledwie 1%, ale był to pierwszy krok do rozwoju fotowoltaiki.

2. Budowa i produkcja.

Moduły fotowoltaiczne składają się z wielu połączonych ze sobą ogniw fotowoltaicznych, wykonanych najczęściej z materiałów półprzewodnikowych. Tym półprzewodnikiem najczęściej jest krzem. Krzem jest jednym z najczęściej występujących pierwiastków na ziemi, np. jest obecny w piasku.

Aby mógł być wykorzystany w fotowoltaice, musi zostać oczyszczony (jednak nie w takim stopniu jak w przemyśle elektronicznym). Następuje to w wyniku procesów chemicznych zachodzących w temperaturze ok. 1800°C. Powstały w ten sposób polikrzem, który nie ma jeszcze struktury jednolitego kryształu, może zostać zastosowany do produkcji ogniw z krzemu krystalicznego.

Produkcja ogniw monokrystalicznych następuje przy zastosowaniu „metody Czochralskiego” (od nazwiska polskiego uczonego, który ją po raz pierwszy zastosował). Otrzymany w wyniku tego procesu blok krzemu o długości ponad 2 m oraz grubości ok. 20 cm ma kształt walca. W przypadku krzemu monokrystalicznego w procesie Czochralskiego, proces stygnięcia jest ściśle kontrolowany i zaczyna się od zarodka, dzięki czemu cały walec krzemowy ma strukturę jednolitego kryształu. 

Produkcja ogniw multikrystalicznych (nazywanych również polikrystalicznymi) odbywa się w podobny sposób. Kruszonkę polikrzemową roztapia się w tyglu, który ostatecznie zostawia się do ostygnięcia. Krzem jako materiał krystaliczny, podcza stygnięcia, przechodząc z fazy ciekłej (amorficznej) do fazy stałej, ulega samoistnej krystalizacji. Ponieważ w tyglu nie ma żadnego zarodka i proces krzepnięcia jest samoistny, powstaje wiele kryształów (stąd nazwa multi).

W obu przypadkach uzyskane bloki krzemowe są następnie przycinane, tak by uzyskać odpowiedni kształt. Taki krzemowy blok jest umieszczany w maszynie, która tnie go diamentowymi piłami na płytki (wafle) o grubości poniżej 200 μm. Powierzchni płytki nadaje się odpowiednią teksturę, która przyczynia się do zwiększenia wydajności oraz nanosi się na nią warstwę antyrefleksyjną. Ostatnią czynnością przy produkcji ogniwa fotowoltaicznego jest nadrukowanie na jego powierzchni elektrod metalowych.

3. Podział ogniw:

  • Krzemowe krystaliczne: monokrystaliczne, multikrystaliczne (polikrystaliczne) oraz ich odmiany


Ogniwo monokrystaliczne                                                         Ogniwo multi(poli)krystaliczne

 

  • Cienkowarstwowe CIGS, CdTe, a:Si

CIGS                                                   CdTe                                                    a:SI

4. Zasada działania

Zasada działania ogniwa fotowoltaicznego na przykładzie technologii krzemu krystalicznego:

Proces zamiany energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną nosi nazwę konwersji fotowoltaicznej. Ogniwo fotowoltaiczne to (najczęściej) krzemowa płytka półprzewodnikowa, wewnątrz której istnieje bariera potencjału (pole elektryczne), w postaci złącza p-n (positive – negative). Padające na fotoogniwo promieniowanie słoneczne wybiją elektrony z ich miejsc w strukturze atomów krzemu, tworząc pary nośników o przeciwnych ładunkach (elektron z ładunkiem ujemnym oraz "dziura" {czyli brak elektronu} z ładunkiem dodatnim, powstała po jego wybiciu). Ładunki te zostają następnie rozdzielone przez istniejące na złączu p-n pole elektryczne, powstaje różnica potencjałów elektrycznych, czyli napięcie.