Ogniwo fotowoltaiczne - budowa i zasada działania

Czym są ogniwa fotowoltaiczne?

Nie sposób wyobrazić sobie dzisiaj dom bez prądu. Współczesna technologia umożliwia nam jego pozyskiwanie sposobami tradycyjnymi (podłączenie do sieci energetycznej) oraz alternatywnymi. Wśród tych drugich coraz większą popularność zyskują panele fotowoltaiczne. Dzięki nim możemy czerpać odnawialną, darmową i ekologiczną energię ze słońca. Wykorzystanie właściwości ogniw fotowoltaicznych pozwala na konwersję światła w elektryczność generując oszczędności na długie lata.

Pojedyncze ogniwo fotowoltaiczne (określane również jako ogniwo słoneczne lub fotoogniwa) to podstawowa i najmniejsza jednostka strukturalna panelu fotowoltaicznego. To z nich składają się moduły, a z modułów – panele fotowoltaiczne. Innymi elementami instalacji fotowoltaicznej są inwerter (falownik), konstrukcja wsporcza, przewody czy różnego rodzaju elementy zabezpieczające. My jednak skupmy się na fotoogniwach.

Ogniwo fotowoltaiczne - budowa ogniwa fotowoltaicznego

Ogniwa słoneczne zbudowane są z 2 warstw półprzewodnika. Najczęściej jest to krzem, rzadziej – selen bądź german. Wszystkie trzy doskonale przewodzą energię elektryczną. Najlepiej pod tym względem radzi sobie jednak krzem, ponieważ na ostatniej powłoce posiada aż 4 elektrony.

Każde z ogniw cechuje nieco inna budowa. To w związku z nią wyróżniamy różne rodzaje paneli fotowoltaicznych. Na rynku spotkasz trzy podstawowe rodzaje ogniw:

• ogniwa monokrystaliczne,
• ogniwa polikrystaliczne,
• ogniwa amorficzne.

Każde z nich cechują odmienne właściwości, wydajność czy zastosowanie wpływające na ich użyteczność oraz cenę.

Wróćmy jednak do wspomnianych dwóch warstw.

Pierwsza z nich (warstwa typu n), skierowana w stronę światła słonecznego, składa się z większej liczby elektronów, dlatego posiada ładunek ujemny. Nadmiar elektronów osiąga się w niej najczęściej, stosując domieszkę fosforu. Na drugiej warstwie ogniw (typu p) znajdują się atomy z pustymi miejscami po elektronach. To tzw. dziury. Warstwa typu p posiada ujemny ładunek elektryczny, a niedobór elektronów osiąga się dzięki domieszce boru.

Pomiędzy warstwami półprzewodników typu n i p umieszczone jest złącze p-n – warstwa graniczna, kluczowa dla zachodzenia fotoemisji – zjawiska fotowoltaicznego, na którym opiera się fotowoltaika. To właśnie tutaj powstaje pole elektryczne.

Na rynku spotkać możesz obecnie także ogniwa II generacji (zawierające związki miedzi, indu, galu), ogniwa III generacji (barwnikowe, pozbawione złącz półprzewodnikowych p-n) czy ogniwa fotowoltaiczne z warstwą PERC, posiadające na spodzie dodatkową warstwę dielektryka (półprzewodnik). To dodatkowy izolator elektryczny działający jak reflektor. Promieniowanie słoneczne, które dotarło do dolnej warstwy płytek krzemowych, ale nie wytworzyło elektronu, odbija się od reflektora, dzięki czemu ma dodatkową szansę na wytworzenie energii elektrycznej.

W skład ogniw fotowoltaicznych wchodzą również diody – ujemna i dodatnia, umieszczone na dwóch zewnętrznych warstwach.

Zasada działania ogniw fotowoltaicznych

Podstawową funkcją ogniw słonecznych w instalacji fotowoltaicznej jest pobór energii słonecznej i przekształcenie jej w energię elektryczną. Dzieje się tak, ponieważ we wnętrzu ogniw zachodzi zjawisko fotowoltaiczne (określane także jako zjawisko elektryczne). 

Spróbujmy opisać schemat działania to możliwie najprościej. 

Gdy jednostka światła (foton) dociera do płytki krzemowej ogniwa, powstaje w nim siła elektromotoryczna wybijająca elektron i zmuszająca go do ruchu w obrębie układu. Dzieje się tak, ponieważ padające na złącze fotony mają energię większą od szerokości przerwy energetycznej półprzewodnika. Tworzą się pary elektron-dziura. Elektrony trafiają do obszaru n, dziury – do obszaru p. Takich ruch powoduje powstanie na złączu napięcia elektrycznego (różnicy potencjałów), a oświetlone złącze działa jak ogniwo elektryczne, generując prąd. Moc pojedynczego ogniwa fotowoltaicznego wynosi średnio 4-5 W przy napięciu 0,5 V.

To koniec całego procesu. Powstały z promieniowania słonecznego prąd stały musi zostać przekształcony w zmienny. Tylko w takiej postaci będzie go można wykorzystać w domu. Właśnie w tym momencie do gry wkracza inwerter – urządzenie podłączone przewodami do paneli fotowoltaicznych. Więcej na ten temat pisaliśmy tutaj: Jak działa panel fotowoltaiczny.

Chcesz dowiedzieć się więcej na temat tego, jak działają ogniwa fotowoltaiczne? Potrzebna Ci instalacja PV w domu? Napisz lub zadzwoń! Chętnie pomożemy wybrać Ci najlepsze rozwiązanie oraz pokażemy, w jaki sposób Twoja instalacja może zostać dofinansowana.