Dorota
Zasadniczo, ogniwo fotowoltaiczne jest rodzajem ogniwa elektrycznego, które przekształca energię słoneczną bezpośrednio w energię elektryczną. Ogniwo to działa dzięki wykorzystaniu efektu fotowoltaicznego, który jest zjawiskiem chemicznym lub fizycznym. Efekt fotowoltaiczny uzyskuje się dzięki zastosowaniu materiału na bazie krzemu, który jest w stanie przekształcić światło w energię elektryczną.
Energia słoneczna
Zasadniczo, ogniwo fotowoltaiczne jest urządzeniem elektronicznym, które przekształca energię słoneczną w energię elektryczną. Ten typ ogniwa jest używany w wielu różnych zastosowaniach. Należą do nich wentylatory słoneczne, kalkulatory słoneczne i grzejniki słoneczne. Ogniwa te mogą być stosowane w samodzielnych urządzeniach lub w obwodach elektronicznych.
Ogniwa fotowoltaiczne są często wykonane z krzemu. Krzem jest materiałem półprzewodzącym, który pochłania fotony światła. Kiedy te fotony uderzają w półprzewodnik, przekazują energię elektronom, które stają się energią elektryczną – część ta pochodzi od redaktora portalu Podstawy urody.
Istnieją dwa rodzaje materiałów półprzewodnikowych, które są używane w ogniwach słonecznych. Są to materiały typu P i typu N. Użycie dwóch z tych materiałów półprzewodnikowych razem tworzy pole elektryczne, które zmusza luźne elektrony do poruszania się w jednym kierunku.
Ogniwo fotowoltaiczne ma dwie cienkie warstwy krzemu. Górna warstwa jest cienka i zawiera ładunek dodatni, natomiast dolna jest grubsza i zawiera ładunek ujemny. Obie warstwy łączą się ze sobą tworząc pole elektryczne, które wytwarza napięcie. Wytworzony prąd zależy od powierzchni wystawionej na działanie światła słonecznego.
Kiedy fotony uderzają w ogniwo, powierzchnia krzemu jest aktywowana i zwiększa się liczba elektronów. Elektrony przepływają następnie przez metaliczne styki na powierzchni ogniwa. Są one następnie uwalniane do zewnętrznego obwodu, generując energię elektryczną.
Ogniwo fotowoltaiczne wytwarza prąd stały (DC) energii elektrycznej. Zazwyczaj ogniwo wytwarza jeden lub dwa waty mocy. Jeśli jednak ogniwo jest połączone szeregowo, może wyprodukować wystarczająco dużo prądu, aby zasilić dom.
Ogniwa PV są najczęściej stosowane w panelach słonecznych, ale są również wykorzystywane w urządzeniach samodzielnych. Do takich urządzeń należą podręczne kalkulatory solarne, wentylatory solarne, czy detektory podczerwieni. Mogą one być stosowane zarówno na terenach wiejskich, jak i miejskich.
Ponieważ energia słoneczna jest czysta, odnawialna i wolna od zanieczyszczeń, wiele krajów polega na niej jako na źródle energii. Energia fotowoltaiczna jest ważna w walce ze zmianami klimatu. Ogniwa te są również niezbędne w wielu stacjach naukowo-badawczych oraz w instrumentach rejestrujących zjawisko sejsmiczne. Mogą być również wykorzystywane w przystankach autobusowych, systemach oświetleniowych i systemach grzewczych.
Krzem
Zastosowanie krzemu w ogniwie słonecznym to ekologiczny sposób na ograniczenie naszych potrzeb energetycznych. Ma on niski stosunek masy do objętości i jest stabilnym elementem, który może być używany przez długi czas. Stwierdzono również, że krzem posiada szereg właściwości, które są korzystne dla zastosowań solarnych.
Krzem jest rodzajem półprzewodnika, który jest w stanie przekształcić światło podczerwone w energię elektryczną. W przeciwieństwie do innych pierwiastków, krzem ma zrównoważony zestaw właściwości i nie jest niebezpieczny dla środowiska. Krzem może być wykorzystywany w wielu zastosowaniach, w tym w mikroelektronice. Krzem może być osadzony na podłożu lub włączony do kompozycji półprzewodnikowej.
Krzemowe ogniwa fotowoltaiczne są używane od lat pięćdziesiątych. Obecnie dostępnych jest kilka rodzajów ogniw krzemowych. Należą do nich krzem monokrystaliczny i krzem polikrystaliczny. Te dwa typy są najbardziej popularne.
Monokrystaliczne ogniwa krzemowe mają ograniczone rozmiary modułów i wysoką sprawność. Ogniwa te znane są również jako ogniwa typu p-n junction. Krzem polikrystaliczny ma odpowiednie właściwości krystalograficzne i jest kandydatem na polikrystaliczne cienkie warstwy do fotowoltaiki.
Innym rodzajem ogniwa krzemowego jest ogniwo z krzemu amorficznego. Ten rodzaj krzemu ma pasmo przenoszenia 1,7 do 1,8 eV i nie jest tak wydajny jak krzem monokrystaliczny.
Jednak krzem amorficzny można połączyć z krzemem mikrokrystalicznym w tandemowych ogniwach słonecznych, uzyskując wyższą sprawność niż ogniwa monokrystaliczne. W wyniku takiego połączenia powstaje również cienkowarstwowy materiał PV o bandgapie 1,12 eV.
Inną metodą zwiększenia sprawności ogniw krzemowych jest wprowadzenie do warstwy krzemu dużych dawek jonów metali. Pozwoli to nie tylko poprawić jakość ogniwa krzemowego, ale również obniżyć koszty jego produkcji. Implantacja jonów jest techniką, która pozwala na zwiększenie precyzji w domieszkowaniu warstwy krzemu. Można ją również wykorzystać do wprowadzenia do podłoża półprzewodnikowego domieszki o dużym stężeniu.
Oprócz domieszek, implantacja jonowa może być również wykorzystana do wprowadzenia do materiału półprzewodnikowego pasm pośrednich. Pasma te będą generować dodatkowe poziomy energii w przerwie pasmowej.
Wady ogniwa fotowoltaicznego
Stosowanie ogniw fotowoltaicznych jest świetnym sposobem na generowanie zielonej energii. Są one również ekonomicznym sposobem na generowanie energii elektrycznej. Istnieją jednak pewne wady. Te wady mogą sprawić, że ogniwo fotowoltaiczne będzie nieco mniej niż doskonałe.
Jedną z ważniejszych cech ogniwa fotowoltaicznego jest zdolność do tworzenia energii elektrycznej nawet w miejscu, gdzie światło słoneczne nie jest dostępne. Ta cecha nazywana jest reverse bias i pozwala na przepływ elektronów ze strony n ogniwa do strony p. Jednak nie wytwarza to energii elektrycznej klasy komercyjnej.
Inną wadą ogniwa fotowoltaicznego jest trudność w przesyłaniu energii elektrycznej na duże odległości. Dolna warstwa może być w całości pokryta materiałem przewodzącym, który będzie hamował przepływ elektronów.
Kolejną wadą fotowoltaiki jest niemożność wytwarzania energii elektrycznej w czasie deszczowych dni. Podczas deszczowego dnia jest mało energii słonecznej dostępnej do produkcji energii elektrycznej.
Jedną z najbardziej użytecznych cech ogniw fotowoltaicznych i jedną z najważniejszych korzyści z wykorzystania energii słonecznej jest fakt, że może ona pomóc w redukcji emisji. Energia słoneczna nie wytwarza żadnych zanieczyszczeń i ma niższy ślad węglowy niż inne formy energii. Ponadto, wykorzystanie energii słonecznej pomaga w walce ze zmianami klimatu.
Najważniejszą wadą ogniwa fotowoltaicznego jest to, że nie może ono produkować energii elektrycznej klasy komercyjnej. Jednak ogniwa te mogą być stosowane w samodzielnych urządzeniach i są w stanie dostarczyć energię elektryczną w miejscach o trudnych warunkach topograficznych. Ponadto ogniwo fotowoltaiczne jest lekkie, co pozwala na jego instalację w miejscach, gdzie koszt instalacji byłby zbyt wysoki.
Systemy fotowoltaiczne świetnie sprawdzają się w instalacjach mieszkalnych i komercyjnych, ale nie nadają się do zastosowań przemysłowych na dużą skalę. Dzieje się tak dlatego, że system fotowoltaiczny nie będzie działał podczas przerw w dostawie prądu, co może stanowić problem w przypadku awarii linii energetycznej lub sytuacji awaryjnej.
Z drugiej strony, ogniwo słoneczne może pomóc w produkcji zielonej energii i jest to dobry pomysł, aby mieć jeden na swoim dachu. Jednak może to nie być najbardziej praktyczny sposób zasilania domu.
Ogniwa wielofunkcyjne
Ogólnie rzecz biorąc, wielofunkcyjne ogniwa fotowoltaiczne są najbardziej wydajnymi ogniwami słonecznymi dostępnymi na rynku. Jednak sprawność tych ogniw różni się znacznie w zależności od użytych materiałów i innych czynników. Zazwyczaj ogniwa te składają się z wielu złącz p-n, które wytwarzają prąd elektryczny w odpowiedzi na różne długości fali.
W większości standardowych technologii drugiej generacji sprawność wynosi około 20-25%. Jednak koncepcje trzeciej generacji obejmują dodanie nowatorskich mechanizmów, które tworzą nowe pary elektron-dziura. Koncepcja ogniw fotowoltaicznych trzeciej generacji polega na wykorzystaniu całego spektrum energii słonecznej. Należą do nich ogniwa wielozłączowe, integracja budynków oraz ogniwa organiczne uczulone na barwniki.
Do tych nowych technologii należy dopasowane do siatki potrójne ogniwo słoneczne InGaP/(In)GaAs/Ge, które osiągnęło najwyższą rzeczywistą sprawność 36%. W ogniwie zastosowano 300 nm warstwę a-Si:H, która może absorbować 90% fotonów powyżej pasma przepustowego w pojedynczym przejściu. Warstwa ta pozwala na produkcję lżejszych ogniw słonecznych.
Koncepcje trzeciej generacji obejmują również integrację budynkową, która polega na zintegrowaniu wielu pojedynczych ogniw słonecznych w jeden moduł. Pozwala to na zmniejszenie liczby złączy i zwiększenie sprawności ogniwa. Ogniwa te są zaprojektowane tak, aby były lekkie i charakteryzowały się wysoką stabilnością.
Kolejnym ważnym kierunkiem rozwoju jest wzrost wykorzystania implantacji jonowej. Technologia ta zyskała wiele uwagi w przemyśle solarnym, ponieważ oferuje kilka głównych korzyści. Główne korzyści obejmują wysoką wydajność, wysoką precyzję kontroli dawek dopantów oraz lokalne dopingi.
Najpowszechniej stosowaną technologią cienkowarstwową dla ogniw słonecznych jest krzem amorficzny. Zazwyczaj materiał ten jest osadzany metodą plazmową (plasma enhanced vapor phase deposition). Charakteryzuje się on dużą rezystywnością na ciepło i promieniowanie. W ciągu ostatnich dwóch lat wydajność tego materiału wzrosła kilkakrotnie.
Cienki film GaAs jest również ważny w technologii słonecznej. Cienka folia została wykorzystana do kosmicznych ogniw słonecznych, a także koncentratorów i innych zastosowań. Materiał ten ma wysoką oporność na ciepło, co czyni go idealnym do wykorzystania w zastosowaniach solarnych. Ma również niską przerwę pasmową, która rozszerza pasmo absorbera i zwiększa żywotność nośnika.