Instalacja fotowoltaiczna służy do generowania prądu z energii słonecznej. Z tym zdaniem zgodzą się wszystkie osoby, które choć raz w życiu zetknęły się z krzemowymi ogniwami. Mało kto jednak zadaje sobie pytanie o zasadę działania ogniwa fotowoltaicznego. Poniżej wyjaśniamy, na czym polega efekt fotowoltaiczny i jaka jest budowa modułu fotowoltaicznego.
Zasada działania fotowoltaiki – o efekcie fotowoltaicznym w pigułce
Zasada działania ogniw fotowoltaicznych bazuje na znanym w fizyce efekcie fotowoltaicznym. Jest to zjawisko wewnętrzne, które pozwala na generowanie ładunków elektrycznych w półprzewodniku na skutek działania promieni słonecznych.
Pod wpływem działania fotonów znajdujących się w promieniowaniu słonecznym dochodzi do wzbudzenia elektronów znajdujących się w kryształach krzemu. Są one wybijane, a na skutek przemieszczania się ich pomiędzy elektrodami dochodzi do powstania różnicy potencjałów i wygenerowania ładunku elektrycznego. W wyniku przejęcia przez elektron energii fotonu powstają tzw. dziury elektronowe, a wzbudzone elektrony przemieszczają się w przeciwnym do nich kierunku.
Typowe ogniwa fotowoltaiczne wykorzystują złącze P-N (ang. Positive-Negative), zbudowane z dwóch półprzewodników o różnym stopniu przewodnictwa. Po stronie „N” przeważa ilość elektronów nad dziurami elektronowymi, zaś po stronie „P”, więcej jest dziur o ładunku dodatnim niż ujemnych elektronów. Półprzewodnik „N” wzbogacony jest o pierwiastki z grupy V układu okresowego, zaś w półprzewodniku „P” znajdują się głównie pierwiastki z grupy III.
Wskutek reakcji fotowoltaicznej powstają pary dziura-elektron, a wraz z nimi rodzi się różnica potencjałów (tzw. różnica otwartego obwodu), która prowadzi do powstania prądu stałego.
Generowane napięcie przepływa przez inwerter (falownik), który zamienia je na prąd przemienny, czyli taki, za pomocą którego możemy zasilić urządzenia domowe, jak lodówka, pralka czy telewizor. Inwerter może występować centralnie lub w postaci mikroinwerterów, przydzielone do poszczególnych paneli.
Schemat ogniwa fotowoltaicznego, czyli z czego zbudowane są moduły?
Na rynku znajdziemy wiele różnych modułów fotowoltaicznych, różniących się między sobą jakością wykonania, wydajnością elektryczną i oczywiście ceną. Pojedynczy panel krzemowy ma wymiary około 15 x 15 cm. Na jednym module mieści się zazwyczaj 60 ogniw, choć znajdziemy i takie, które liczą 48 lub 72 ogniwa.
Każdy moduł fotowoltaiczny ma warstwową budowę. Na samej górze znajduje się powłoka antyrefleksyjna, której zadaniem jest umożliwić pochłanianie przez ogniwa jak największej ilości światła słonecznego. W ten sposób zwiększa się uzyski z całej instalacji. Powierzchnia szkła pokryta jest warstwami specjalnie dobranych folii optycznych.
Fotoogniwo zbudowane jest z dwóch warstw półprzewodników – „P” i „N”. Warstwa „N” znajduje się na górze, a tuż nad nią jest ulokowana elektroda ujemna. Pod warstwą aktywną „N” ulokowany jest złącze P-N (tzw. bariera potencjałów). Pod nim znajduje się warstwa aktywna „P”, znacznie grubsza od warstwy „N”. Całość zamknięta jest w aluminiowej ramie i osadzona na stelażu, który gwarantuje właściwą orientację modułu.
Ogniwa łączy się ze sobą szeregowo, tworząc połączenia za pomocą tzw. busbarów, czyli cienkich, metalowych taśm. Kiedy fotowoltaika dopiero raczkowała, stosowano wyłącznie technologię 2BB, czyli dwa busbary na każde ogniwo. Obecnie większość producentów stosuje już technologię 4BB, a nawet 5BB. Udowodniono, że większa ilość połączeń przekłada się na wyższą sprawność całej instalacji, wolniejszą degradację modułu oraz mniejsze ryzyko powstania pęknięć w elementach użytkowych.
Ogniwa z warstwą PERC
W sprzedaży spotkamy także moduły wyposażone w warstwę PERC (ang. Passivated Emitter and Rear Cell) położoną na spodzie modułu. Pełni ona funkcję dodatkowego dielektryka i działa na zasadzie podobnej do reflektora. Promienie słoneczne, które na nią padają, mają powtórnie szansę wytworzyć ładunek elektryczny.
Technologia PERC zwiększa efektywność ogniwa, optymalizując gromadzenie się elektronów.
Budowa paneli fotowoltaicznych – mono czy polikrystaliczne?
Warstwa półprzewodnika najczęściej wykonana jest z krzemu, z ewentualną domieszką selenu lub germanu. Wybór tych pierwiastków nie jest przypadkowy, ponieważ zjawisko fotoemisji zachodzi najbardziej efektywnie w tych atomach, które mają najwięcej elektronów walencyjnych, czyli znajdujących się na ostatniej, zewnętrznej powłoce walencyjnej.
Krzem ma aż cztery elektrony walencyjne, a dodatkowe pierwiastki zwiększają reaktywność stopu, wpływając na efektywność ogniwa.
Budowa panelu fotowoltaicznego może uwzględniać krzem monokrystaliczny lub polikrystaliczny. Na czym polega różnica między nimi?
Różnice między ogniwami mono a polikrystalicznymi
Aby krzem mógł produkować prąd elektryczny, musi mieć postać krystaliczną (wyjątkiem są ogniwa amorficzne). Różnica między ogniwami o strukturze mono i poli widoczna jest już na etapie ich produkcji.
- Proces wytwarzania ogniw polikrystalicznych zaczyna się od krystalizacji krzemu. Bloki krzemu łączy się w jedną, dużą bryłę, która następnie zostaje schłodzona i pocięta na cienkie plastry.
- Poszczególne plastry są czyszczone, obłożone powłoką antyrefleksyjną, a następnie podłączane są do nich przewody. Im mniej kryształów znajduje się w ogniwie polikrystalicznym, tym większa efektywność będzie wyróżniała ogniwo.
- Ogniwa monokrystaliczne składają się z jednego, dużego kryształu, dzięki temu elektrony mogą krążyć swobodnie. W toku produkcji wykorzystuje się metodę Czochralskiego (od nazwiska polskiego chemika Jana Czochralskiego).
- W rozgrzanym tyglu umieszcza się dobrze oczyszczone polikryształy krzemu. Po stopieniu zawartości umieszcza się w niej zarodek kryształu – pojedynczy duży blok z którego powstanie ogniwo. Po takiej „kąpieli” blok, który zdążył przekształcić się w monokryształ krzemu, bardzo powoli usuwa się z kadzi.
- Krzem jest cięty na mniejsze plastry o kształtach zbliżonych do kwadratu, które oplata się przewodami. Tak powstaje ogniwo monokrystaliczne.
Czym są ogniwa amorficzne i cienkowarstwowe?
Coraz częściej stosuje się również ogniwa drugiej generacji. Zaliczymy do ich panele amorficzne oraz CdTe i CIGS. Zasadnicza różnica polega na ograniczeniu elementów konstrukcji do minimum i uzyskania bardzo cienkiej, reaktywnej warstwy, która w teorii jest w stanie absorbować fotony nawet 100 razy bardziej efektywnie niż klasyczne panele krzemowe. Co więcej, można ułożyć ją na niemal dowolnej płaszczyźnie i pod dowolnym kątem.
Ogniwa cienkowarstwowe powstają poprzez pokrycie szklanej powierzchni warstwą odpowiednich pierwiastków. W zależności od technologii może to być dwutlenek cyny i fluor wraz z siarczkiem kadmu i tellurkiem kadmu (w ogniwach CdTe) albo molibden z tlenkiem cynku oraz siarczek cynku z diselenem miedzi, indu i galu (w ogniwach CIGS).
Z kolei panele amorficzne tworzy bardzo cienka warstwa krzemu osadzona na innym materiale.
Budowa ogniwa fotowoltaicznego a jego wydajność
Budowa ogniwa fotowoltaicznego w sposób bezpośredni przekłada się na jego sprawność energetyczną, a to z kolei znajduje odzwierciedlenie w czasie zwrotu inwestycji. W zależności od zastosowanej technologii wydajność paneli oscyluje na innym poziomie.
- Aktualnie najwyższą sprawność prezentują ogniwa monokrystaliczne. Ich efektywność energetyczna waha się pomiędzy 15 a 19%. Dosyć łatwo je rozpoznać po czarnym odcieniu panelu krzemowego w kształcie przyciętego koła. To jak dotąd najdroższe spośród wszystkich rodzajów ogniw.
- Sprawność paneli polikrystalicznych jest nieco niższa i wynosi od 14 do 16%. Wyróżniają się one mniejszym spadkiem mocy wraz ze wzrostem temperatury niż modele monokrystaliczne. Są najbardziej popularne z uwagi na korzystną relację ceny do jakości.
- Ogniwa z krzemu nieskrystalizowanego (amorficznego) cechuje znacznie niższa efektywność – na poziomie 6 do 10%. Z tego względu stosuje się je głównie jako subsydiarne źródło zasilania do np. kalkulatorów czy lamp ogrodowych. Dużą zaletą ogniw amorficznych są również niskie koszty produkcji.
- Ogniwa CdTe cechują się wydajnością 10-12%. Odmienna technologia produkcji i pracy przekłada się na znaczną różnicę napięć w stosunku do parametrów ogniw krzemowych. Wyróżnia je czerwony odcień paneli.
- Efektywność energetyczna paneli CIGS jest zbliżona do tej, oferowanej przez moduły polikrystaliczne (między 12 a 14%). Podobnie jak Cd-Te, są to panele cienkowarstwowe.
Co ciekawe, w warunkach laboratoryjnych poszczególne firmy prześcigają się w osiągnięciu jak najwyższej sprawności energetycznej przez ogniwa.
W styczniu 2021 firma Jinko Solar ogłosiła, że jej panele monokrystaliczne typu N osiągnęły rekordowy wynik 23,01%.Ta sama firma zaprezentowała również model w technologii TOPCon, który osiągnął sprawność niemal 25% (dokładnie 24,9%).
Na dzień dzisiejszy tak wydajne panele nie są jeszcze dostępne w komercyjnej sprzedaży, ale rozwój fotowoltaiki na przestrzeni ostatnich kilku lat pokazuje, że wkrótce możemy spodziewać się rewolucji energetycznej, upowszechnienia się nowych technologii oraz spadku cen klasycznych ogniw krzemowych.
Budowa i działanie fotowoltaiki – podsumowanie
Zrozumienie budowy i zasady działania ogniwa fotowoltaicznego jest ważne, jeżeli chcemy świadomie wybrać najlepszą technologię zasilająca nasz dom w prąd elektryczny. Warto pamiętać, że producenci oferują kilka rodzajów ogniw, od tanich i umiarkowanie wydajnych ogniw cienkowarstwowych, po wysoce efektywne ogniwa monokrystaliczne.
Wybierając ogniwa, nie warto kierować się wyłącznie niską ceną. Droższe panele wyróżniają się większą żywotnością i wyższą sprawnością, a w perspektywie całej inwestycji są bardziej opłacalne.
