Spis treści:
Ogniwa słoneczne, nazywane również ogniwami fotowoltaicznymi, mają zdolność do zmieniania padających na nie promieni słonecznych w energię elektryczną.
W jaki sposób działa ogniwo słoneczne? Co to jest proces fotowoltaiczny?
Ogniwa słoneczne są podstawowymi elementami paneli fotowoltaicznych, które zmieniają promienie słoneczne na energię elektryczną. Dzieje się tak za sprawą procesu fotowoltaicznego. W pierwszym etapie następuje absorpcja światła. Fotony padające na powierzchnię ogniwa słonecznego są przechwytywane. Każdy foton niesie ze sobą określoną ilość energii. Proces absorbowania fotonów jest możliwy dzięki materiałowi półprzewodnikowemu (najczęściej jest to krzem).
W następnych krokach są tworzone tzw. pary elektron-dziura i następuje separacja par elektron-dziura. W kolejnym etapie następuje przepływ prądu. Elektrony zostają przyciągane do strony n ogniwa, natomiast dziury zaczynają się przemieszczać do strony p ogniwa.
W momencie, gdy dziury przemieszczają się w przeciwnym kierunku do elektronów, generuje się przepływ prądu. Przedostatnim etapem jest ekstrakcja prądu elektrycznego, czyli przepływanie elektronów przez zewnętrzny obwód np. bezpośrednio do akumulatora. W trakcie przepływu przez obwód zewnętrzny następuje ostateczna rekombinacja z dziurami znajdującymi się w materiale półprzewodnikowym.
Budowa ogniwa słonecznego
Każde ogniwo fotowoltaiczne jest złożone z kilku elementów pełniących różne funkcje. Warstwa półprzewodnikowa należy do najważniejszych części ogniwa słonecznego. Ta część jest przeważnie wykonana z krzemu. W zależności od konkretnego modelu ogniwa, krzemu może być polikrystaliczny, monokrystaliczny lub amorficzny. Kolejnymi elementami są elektrody przewodzące, czyli cienkie warstwy metalu (np. srebra), które znajdują się zarówno na dolnej, jak i na górnej części ogniwa. Dwa główne zadania elektrod przewodzących to: zbieranie i przekazywanie prądu elektrycznego.
Następną częścią ogniwa słonecznego jest warstwa antyrefleksyjna (najczęściej wykonana z tlenku krzemu). Ten element jest montowany na górnej części ogniwa i odpowiada za zmniejszenie odbicia światła słonecznego, poprawiając tym samym wydajność modułu fotowoltaicznego. Aby zabezpieczyć ogniwo fotowoltaiczne, producenci wykorzystują szkło ochronne i ramki. Tak zabezpieczony moduł fotowoltaiczny jest odporny na działanie czynników zewnętrznych, takich jak śnieg, deszcz i kurz.
Czym różnią się ogniwa polikrystaliczne od monokrystalicznych?
Ogniwo poli i monokrystaliczne pełni identyczną funkcję w całym systemie fotowoltaicznym. W obu przypadkach do produkcji wykorzystuje się krzem w formie krystalicznej. Najważniejszą różnicą między ogniwami polikrystalicznymi i monokrystalicznymi jest tzw. czystość krystaliczna. W przypadku paneli monokrystalicznych mamy do czynienia z jednym kawałkiem kryształu krzemu. Z kolei do produkcji ogniw polikrystalicznych wykorzystuje się wiele fragmentów krzemu, które są ze sobą połączone. Oznacza to, że czystość w panelach polikrystalicznych jest niższa niż w monokrystalicznych.
Kolejną różnicą jest wydajność, czyli zdolność do przetwarzania określonej ilości energii słonecznej w energię elektryczną. Sprawność paneli monokrystalicznych, w zależności od konkretnego producenta, zawiera się w przedziale od około 16% do około 25%. Z kolei wydajność paneli polikrystalicznych waha się od około 14% do około 19%. W praktyce oznacza to, że taka sama powierzchnia paneli monokrystalicznych będzie produkować więcej energii niż powierzchnia paneli polikrystalicznych w tym samych warunkach pracy.
Pozostałe różnice
Panele słoneczne monokrystaliczne w instalacjach domowych i komercyjnych mają również inną ważną zaletę. Produkcja energii rozpoczyna się wcześniej i kończy później (w cyklu dobowym), w porównaniu do modeli polikrystalicznych. Różnice dotyczą także wydajności ogniw w wysokich temperaturach. Ogniwa polikrystaliczne wykazują mniejszą sprawność w przypadku ekspozycji na wysoką temperaturę niż modele monokrystaliczne. Koszt produkcji ogniwa składającego się z jednego kawałka kryształu krzemu jest wyższy niż produkowanie paneli z wielu połączonych ze sobą kryształów krzemu. Różnice obejmują również wygląd modułów fotowoltaicznych. Modele monokrystaliczne wyróżniają się jednolitą, czarną powierzchnią. Z kolei wersje monokrystaliczne mogą mieć niebieski odcień i jednolitą powierzchnię, która jest efektem różnego kąta odbijania światła przez poszczególne kryształy krzemu.
Warto również nadmienić, że oba rodzaje paneli mają podobną żywotność wynoszącą około 30 lat. W tym okresie wydajność nie powinna ulec dużej zmianie. Szacuje się, że około 98% wszystkich instalacji fotowoltaicznych w Polsce wykorzystuje do przechwytywania i produkcji energii elektrycznej ze słońca ogniwa polikrystaliczne.
Ogniwa słoneczne małej mocy
Panele słoneczne małej mocy stanowią alternatywne źródło energii np. w projektach DIY. Doskonale nadają się do budowania urządzeń, które mogą działać przez długie lata bez dostępu do zasilania sieciowego. Ogniwa słoneczne małej mocy to niewielkie urządzenia o wymiarach od kilku do 30 cm. Poszczególne modele różnią się od siebie nie tylko mocą wyjściową, ale również wytwarzanym napięciem znamionowym, a co za tym idzie zastosowaniem.
Wybrane ogniwa słoneczne małej mocy są fabrycznie wyposażone w pady lutownicze przeznaczone do przylutowania przewodów. Z kolei inne modele mają już wyprowadzony przewód zakończony np. złączem USB typu A. Na szczególną uwagę zasługują elastyczne panele fotowoltaiczne, które można z powodzeniem zamontować np. na lekko zakrzywionych powierzchniach.
Gotowe moduły fotowoltaiczne małej mocy
Na rynku można również znaleźć gotowe moduły fotowoltaiczne. Dobrym przykładem są kompaktowe moduły przeznaczone do ładowania ogniwa litowo-polimerowego przy wykorzystaniu promieni słonecznych. Sam panel słoneczny jest zabezpieczony przed działaniem czynników zewnętrznych. Dodatkowo moduł jest wyposażony w niezbędne zabezpieczenia (m.in. scalony kontroler solarny).
