Ogniwo fotowoltaiczne budowa i zasady działania

Jeśli chcesz wiedzieć, jak działają ogniwa fotowoltaiczne, ten artykuł ułatwi zrozumienie m.in. podstawowych zasad zachodzących procesów. Tłumaczymy, z czego powstają i jak pracują fotoogniwa, czyli najważniejszy element paneli słonecznych. Dowiedz się, jaka jest ich budowa.

Gdy wiesz, co to jest fotowoltaika, samo działanie ogniwa fotowoltaicznego wydaje się przystępniejsze do zrozumienia. Chodzi o ten element panelu pozwalający pozyskać i przetworzyć promieniowanie słoneczne na prąd. To rozbudowany proces, który stanowi przedmiot zainteresowania naukowców od dziesiątek lat. Poniżej znajdziesz przystępne wytłumaczenie, jak to możliwe, że niewielkie ogniwa są w stanie dać tak wiele – ekologiczny prąd, dzięki któremu oszczędzamy i wspieramy ochronę środowiska. Poznaj budowę i działanie ogniwa fotowoltaicznego, przy okazji odkrywając, na czym tak naprawdę polega modna i wciąż rozwijająca się fotowoltaika.

Budowa ogniw fotowoltaicznych

Do produkcji ogniw fotowoltaicznych wykorzystuje się materiały o właściwościach półprzewodzących – obecnie przede wszystkim krzem. Co ciekawe, do pozyskiwania monokryształów krzemu stosuje się metodę odkrytą przez profesora Jana Czochralskiego, polskiego chemika żyjącego w latach 1885-1953.

Podstawowa budowa ogniwa fotowoltaicznego polega na połączeniu dwóch warstw półprzewodnika. Górna, pierwsza warstwa jest przezroczysta. Pokrywa się ją elektrodą ujemną oraz powłoką antyrefleksyjną, a pod spodem umieszcza elektrodę dodatnią. Z kolei dolna, druga warstwa jest grubsza od górnej, a oddzielają ją złącza p-n (półprzewodniki niesamoistne).

Wraz z rozwojem technologii fotowoltaicznych udoskonalana jest też budowa ogniw. Wiodący producenci szukają różnych unikatowych metod pozyskiwania energii słonecznej. Coraz chętniej sięgają po inne materiały (np. perowskity) czy udoskonalają istniejące rozwiązania, uzyskując praktycznie z roku na rok coraz wyższą sprawność.

Rodzaje ogniw fotowoltaicznych

Ogniwa fotowoltaiczne rozróżnia się m.in. ze względu na generacje. Do I generacji zalicza się najbardziej znane i do dziś najpopularniejsze ogniwa krzemowe – polikrystaliczne oraz monokrystaliczne. Są one z powodzeniem wykorzystywane do produkowania paneli powszechnie widocznych na dachach czy farmach fotowoltaicznych. Panele polikrystaliczne o mieniącej się powierzchni w różnych odcieniach niebieskiego są tańsze, ale działają z nieco mniejszą sprawnością – rzędu kilkunastu procent. Między 20% a 25% sprawności osiągają droższe, ale wydajniejsze moduły monokrystaliczne.

W drugiej generacji znajdują się ogniwa fotowoltaiczne różne pod względem budowy i zasad działania, m.in. amorficzne, CIGS czy CdTe. Ogniwa amorficzne są tanie, bo krzem stosowany do ich produkcji jest niewykrystalizowany. Z kolei pozostałe z wymienionych ogniw powstają z innych pierwiastków niż krzem.

Budowa ogniwa fotowoltaicznego ma kluczowe znaczenie dla dalszego rozwoju technologii słonecznych. Fotowoltaika dla firm przyszłości to nie tyle standardowe panele na dachu, co raczej np. wielkopowierzchniowe przeszklenia, które spełniają to samo zadanie. Coraz częściej szuka się rozwiązań, które wykraczają poza standardowe wyobrażenie instalacji słonecznej. Wydaje się, że szyby czy elementy konstrukcyjne z ogniwami fotowoltaicznymi wewnątrz prędzej czy później ograniczą dominację standardowych paneli krzemowych.

Jak działają ogniwa fotowoltaiczne?

Światło słoneczne składa się z fotonów. Krzem, z którego jest zbudowane standardowe ogniwo fotowoltaiczne, ma właściwości pozwalające pochłonąć foton, co zmusza elektron do ruchu. Ruch elektronów umożliwia przepływ energii elektrycznej. W ten sposób promieniowanie słoneczne staje się prądem. Prąd stały musi zostać zamieniony w prąd zmienny, ale to już zadanie falownika (inwertera), do którego podłącza się panele. Jednym z popularnych rozwiązań są też mikroinwertery, czyli system, w którym małe falowniki podpina się indywidualnie do każdego z paneli.

Odkrycia związane z fotonem, ruchem elektronów czy właściwościami krzemu sięgają jeszcze XIX wieku oraz początków XX wieku. Warto przypomnieć, że choć Albert Einstein, wybitny fizyk, był nominowany do Nagrody Nobla w aż 11 edycjach, otrzymał ją tylko raz, w 1922 roku, właśnie „za zasługi dla fizyki teoretycznej, szczególnie za odkrycie praw rządzących efektem fotoelektrycznym”. Same panele fotowoltaiczne pozwalające produkować energię ze Słońca powstały kilkadziesiąt lat temu, ale początkowo ich wydajność była zbyt niska, żeby myśleć o masowej produkcji. Dopiero pod koniec XX i na początku XXI wieku rozwój technologiczny w dziedzinie fotowoltaiki bardzo przyspieszył. Dziś świadomość, jak działają ogniwa fotowoltaiczna, jest powszechna i wykorzystywana w praktyce.

Podsumowanie

Jako osoba, którą interesuje np. fotowoltaika dla domu, teoretycznie nie musisz wiedzieć, jaka jest budowa ogniwa fotowoltaicznego ani na czym szczegółowo polega ich działanie. To wiedza specjalistyczna, ale bardzo użyteczna. Dzięki podstawom, które przedstawiliśmy w tym tekście, łatwiej podejmiesz decyzję o wyborze konkretnego rodzaju paneli, a przede wszystkim będziesz wiedzieć, dlaczego ogniwa są ich kluczowym elementem.

‍