Ogniwa fotowoltaiczne – budowa i zasada działania

Przeczytaj, w jaki sposób ogniwa fotowoltaiczne przemieniają światło ze Słońca w prąd, a także jak są zbudowane i czym się różnią ich poszczególne typy.

Jednym z najważniejszych elementów każdej instalacji fotowoltaicznej są panele solarne. To te widoczne z daleka ciemne tafle, umieszczane np. na dachach domów. Składają się one z modułów, które zbudowane z kolei są z jeszcze mniejszych jednostek, zwanych fotoogniwami, ogniwami słonecznymi, fotowoltaicznymi albo fotoelektrycznymi. Ogniwa te występują w kilku wariantach, różniących się pod względem efektywności, jeśli chodzi o przemianę energii ze Słońca w prąd. Dowiedz się więcej na ich temat, aby zrozumieć, na czym właściwie polega fotowoltaika, i wybrać najlepszy rodzaj ogniw dla siebie.

W poniższym tekście piszemy m.in.:

• z czego produkuje się ogniwa słoneczne,
• na czym polega efekt fotowoltaiczny – czyli jak światło słoneczne jest zamieniane na prąd,
• jak są zbudowane fotoogniwa – i jaką osiągają moc,
• czym się charakteryzują ogniwa typu PERC,
• czym się różnią monokrystaliczne i polikrystaliczne ogniwa słoneczne,
• co to jest proces Czochralskiego,
• które rodzaje ogniw fotowoltaicznych są najbardziej sprawne – a które najdroższe,
• czym są fotoogniwa I, II i III generacji.

Jak może pamiętasz z lekcji fizyki, prąd elektryczny to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych, dodatnich bądź ujemnych. Takim ujemnym ładunkiem, przemieszczającym się szczególnie łatwo chociażby w metalach, z których zrobione są przewody elektryczne, może być elektron, czyli część atomu, dzięki której łączy się on z innymi atomami. Gdy zostanie wypchnięty z międzyatomowego wiązania, zacznie się swobodnie poruszać. A wtedy trzeba jeszcze nadać temu ruchowi kierunek, czyli go uporządkować, aby uzyskać prąd.

Z czego są zrobione ogniwa fotowoltaiczne

Aby wszystko to zaszło w ogniwach fotowoltaicznych, muszą być one zbudowane z półprzewodników, czyli materiałów, które nie przewodzą prądu tak dobrze jak przewodniki (m.in. wspomniane metale), a raczej przewodzą go tylko w pewnych konkretnych warunkach. Dzięki temu łatwiej to przewodnictwo kontrolować.
Najczęściej spotykane na naszej planecie* ogniwa słoneczne tworzy się z krzemu. Dlaczego? Po pierwsze, ma on krystaliczną strukturę, co czyni go takim właśnie półprzewodnikiem. Po drugie, po tlenie jest to najpowszechniej występujący pierwiastek na Ziemi, nietrudno go więc pozyskać (składa się z niego np. piasek). Po trzecie natomiast każdy atom krzemu ma aż cztery elektrony, które mogą zostać wprawione w ruch.

*W kosmosie używa się raczej ogniw z arsenku galu (GaAs). Cechują się one wyższą sprawnością i większą odpornością na promieniowanie elektromagnetyczne, ale też są zbyt drogie jak na zastosowania komercyjne.

Na czym polega efekt fotowoltaiczny

To wprawienie elektronów w ruch zachodzi pod wpływem światła słonecznego, które z punktu widzenia praw fizyki jest zarazem falą i strumieniem cząstek zwanych fotonami. Jeśli fala ta ma odpowiednią częstotliwość, fotony uderzające w ogniwo są w stanie wybić elektrony z wiązań pomiędzy atomami krzemu. „Miejsca” po elektronach, nazywane po prostu dziurami, mają ładunek dodatni – i też potrafią się przemieszczać. Specyficzna budowa ogniw fotowoltaicznych pozwala zaś na to, by ruch zarówno dziur, jak i elektronów był uporządkowany.

W ogniwie są mianowicie zasadniczo dwie warstwy krzemu, różniące się między sobą nieco właściwościami elektrycznymi dzięki domieszkom innych pierwiastków. Górna warstwa, wzbogacona o fosfor, arsen lub antymon, zawiera dodatkowe elektrony. Ponieważ mają one ładunek ujemny, oznacza się ją literą n, od angielskiego słowa „negative” (czyli właśnie „ujemny”). Dolna warstwa, do której dodano bor, ind lub glin, ma z kolei więcej dziur i oznaczana jest literą p, od „positive” („dodatni”, tak jak ładunek owych dziur). Opisane wyżej wybijanie elektronów przez fotony zachodzi natomiast pomiędzy nimi, w tzw. warstwie zaporowej złącza p-n.

W dużym uproszczeniu można powiedzieć, że „ciągnie swój do swego”: uwolnione elektrony wędrują do warstwy typu n, a dziury – do warstwy typu p. Efekt fotowoltaiczny to właśnie wzmocnienie pod wpływem światła istniejącej już na wstępie (z uwagi na samą obecność tych dwóch warstw) niewielkiej różnicy potencjałów, w której ruch ładunków ma kierunek, jest uporządkowany, a więc otrzymujemy prąd.

Moc pojedynczego ogniwa fotowoltaicznego zależy bezpośrednio od jego wymiarów (zwykle od 4 x 4 cali, czyli ok. 10 x 10 cm, do 6 x 6 cali, czyli ok. 15 x 15 cm) i wynosi zaledwie 1-7 W. To niewiele, dlatego ogniwa łączy się szeregowo bądź równolegle w moduły i panele, tak aby uzyskać parametry odpowiadające potrzebom właściciela konkretnej instalacji.

Jak wiadomo, prąd może płynąć tylko w obiegu zamkniętym. Elektrony powracają więc z inwertera do dolnej części ogniwa (gdzie „wypełniają” dziury) poprzez elektrodę dodatnią, którą jest aluminiowa płytka umieszczona pod warstwą typu p. Elektrody ujemne na warstwie typu n przybierają natomiast postać siatki złożonej z cienkich pasków aluminiowej lub srebrnej folii, dzięki czemu światło może swobodnie dotrzeć pomiędzy nimi do wnętrza ogniwa.

Ponieważ gładka powierzchnia tego ostatniego potrafi odbić nawet 40% promieni słonecznych, pokrywa się ją cienką powłoką antyrefleksyjną. Całość zabezpiecza się zaś m.in. przed wibracjami, uszkodzeniami mechanicznymi, wilgocią czy zanieczyszczeniami przy użyciu folii EVA (ang. Ethylene-Vinyl Acetate, co oznacza kopolimer etylenu z octanem winylu).

Uwaga: nowoczesne ogniwa typu PERC (ang. Passivated Emitter and Rear Cells) zawierają jeszcze jeden element. Jest to umocowana w spodniej części warstwa dielektryka – inaczej: izolatora elektrycznego, czyli materiału bardzo słabo przewodzącego prąd – który działa jak swoisty reflektor i odbija promienie słońca już wewnątrz ogniwa*. Bo trzeba wiedzieć, że część fotonów przelatuje przez złącze p-n, nie wprawiając elektronów w ruch. Ma to miejsce zwłaszcza rano i wieczorem, kiedy światło ma niższą częstotliwość niż w środku dnia (stąd też jego cieplejsza barwa). To dlatego klasyczne panele solarne wytwarzają w tych porach mniej prądu. Fotony odbite od „reflektora” w ogniwach PERC zawracają natomiast do obszaru, w którym znów mają szansę na poruszenie elektronów. Straty energii są więc niższe, a tym samym wydajność całej instalacji rośnie. Podobnie jak popularność ogniw PERC – szczególnie odkąd spadły ich ceny i rozwiązano niektóre typowe właśnie dla nich problemy techniczne. *Kontakt elektrody dodatniej z warstwą typu p zostaje zachowany dzięki laserowo wyciętym otworom w dielektryku.

Warstwa krzemu typu n jest nieco cieńsza od warstwy typu p, dzięki czemu poszerza się obszar, w którym elektrony są wybijane ze swoich miejsc przez fotony. Cała krzemowa płytka w ogniwie fotowoltaicznym ma przy tym jednak mniej niż pół milimetra grubości! A dokładnie 0,3 mm w przypadku ogniw monokrystalicznych albo niecałe 0,2 mm w przypadku ogniw polikrystalicznych.

Ogniwa mono- i polikrystaliczne

Na pierwszy rzut oka jedne od drugich odróżnić można po kolorze: te monokrystaliczne są czarne, natomiast polikrystaliczne – niebieskie. Ale o wiele bardziej istotne są inne różnice pomiędzy nimi, takie jak choćby cena. Ogniwa monokrystaliczne są droższe, bo aby je wyprodukować, trzeba roztopić zlepki kryształów krzemu w temperaturze wynoszącej ponad 1420°C i do tak powstałej masy wprowadzić obracający się krzemowy pręt, wokół którego utworzy się następnie jednolity kryształ, wymagający jeszcze pocięcia laserem na płytki i oszlifowania. Warto wspomnieć, że tę stosowaną na całym świecie metodę hodowli monokryształów opracował w 1916 r. polski chemik Jan Czochralski. I stąd właśnie jej nazwa: proces Czochralskiego.

Produkcja ogniw polikrystalicznych jest znacznie prostsza. Stopione na masę kryształy krzemu umieszcza się po prostu w specjalnych formach, a po wystygnięciu tnie się na płytki. Są one tańsze, ale mają mniej uporządkowaną strukturę wewnętrzną, co zresztą nawet widać gołym okiem: nieregularna siatka kryształów przypomina w nich nieco szron. Przekłada się to niestety na niższą wydajność i ogólnie krótszą żywotność w porównaniu z ogniwami monokrystalicznymi. Sprawność tych ostatnich dochodzi nawet do 22%, aczkolwiek najczęściej oscyluje w granicach 15-19%. To wciąż jednak zasadniczo więcej niż 14-18% ogniw polikrystalicznych.

Typ ogniw krzemowych	Monokrystaliczne	Polikrystaliczne
Proces produkcji	Bardziej skomplikowany	Mniej skomplikowany
Cena	Wyższa	Niższa
Struktura wewnętrzna	Bardziej uporządkowana	Mniej uporządkowana
Sprawność	15-22%	14-18%
Żywotność	Dłuższa	Krótsza
Wygląd	Czarne, gładkie	Niebieskie, delikatnie żyłkowane

Większa wydajność ogniw monokrystalicznych sprawia, że utworzony z nich panel solarny może zajmować mniejszą powierzchnię niż panel z ogniw polikrystalicznych o tej samej mocy. Do niedawna więc na takie rozwiązanie – o wiele droższe – decydowały się głównie osoby dysponujące ograniczoną przestrzenią pod instalację fotowoltaiczną. Obecnie jednak ogniwa monokrystaliczne, jako bardziej zaawansowana technologia, stopniowo wypierają ogniwa polikrystaliczne.

Ogniwa II generacji

Co ciekawe, zarówno jedne, jak i drugie należą do ogniw fotowoltaicznych I generacji, zwanych w dodatku ogniwami grubowarstwowymi. Bo choć mają mniej niż wspomniane 0,5 mm grubości, to już ogniwa II generacji są znacznie cieńsze. Wytwarza się je też z innych materiałów, takich jak krzem amorficzny (a-Si), tellurek kadmu (CdTe) czy mieszanki miedzi, indu galu oraz selenu (tzw. CIGS).

Materiałów tych nie potrzeba wiele, jako że warstwa półprzewodnika w ogniwach II generacji osiąga od zaledwie 0,001 do 0,08 mm grubości. Takie cienkowarstwowe ogniwa są więc tańsze w produkcji i bardziej elastyczne, ale mają istotnie słabsze osiągi. Do niedawna używano ich głównie jako baterii słonecznych w niewielkich urządzeniach, np. w zegarkach czy kalkulatorach. W tej chwili jednak można je chociażby nakładać na szkło czy metal, tworząc m.in. fotowoltaiczne szyby albo dachówki, a w miarę postępu technologicznego wdraża się coraz to nowe ich zastosowania.

Ogniwa III generacji

Trwają też prace nad ogniwami III generacji, w których złącze p-n w ogóle nie występuje. Powstają rozwiązania takie jak koncentratory promieni słonecznych (CPV), organiczne ogniwa fotowoltaiczne (OPV), ogniwa barwnikowe czy polimerowe. Cechuje je jeszcze dość niska sprawność i krótka żywotność, obecnie nie wykorzystuje się ich więc komercyjnie. Niskie koszty produkcji, nietoksyczność i absorpcja promieni słonecznych na poziomie sięgającym nawet 90% mocno zachęcają jednak do dalszego udoskonalania tych innowacyjnych technologii.

Przeczytaj również: Rodzaje paneli fotowoltaicznych