Czym jest ogniwo fotowoltaiczne? Budowa i wykorzystanie

Energia słoneczna to nowe spojrzenie na energetykę. Fotowoltaikę wykorzystuje się zarówno w mikroskali, jak i w znacznie większej – w skali przemysłowej. W całym procesie przetwarzania energii z promieni słonecznych w prąd elektryczny kluczową rolę pełnią ogniwa fotowoltaiczne.

  • Czym jest ogniwo fotowoltaiczne?
  • Jak zbudowane jest ogniwo fotowoltaiczne?
  • Jak można je wykorzystać?

W poniższym artykule znajdują się odpowiedzi na te pytania.

Jak działa ogniwo fotowoltaiczne?

Ogniwo fotowoltaiczne, czyli ogniwo słoneczne lub fotoogniwo, to główny element każdego panelu słonecznego. Jest to półprzewodnik przetwarzający energię z promieni słonecznych w prąd elektryczny. Jak do tego dochodzi? Otóż jest to możliwe za sprawą zjawiska fotowoltaicznego – zachodzi ono wówczas, gdy promienie słoneczne padają na ten półprzewodnik, czyli na ogniwo. Właśnie w nim następuje przetwarzanie energii promieniowania słonecznego w prąd elektryczny.

Żeby jednak było to możliwe, niezbędne jest zastosowanie w produkcji półprzewodników odpowiednich pierwiastków, czyli np. krzemu, germanu, selenu. Obecnie dostępne są różne rodzaje ogniw.

Zasada działania ogniw fotowoltaicznych nie jest szczególnie skomplikowana. Ogniwo składa się z warstw półprzewodnikowych typu p i typu n oraz rozdzielającej je warstwy zaporowej (inaczej złącza p-n). W półprzewodniku typu p znajduje się niedobór elektronów (tzw. dziury elektronowe), a z kolei w warstwie n ich nadmiar. Energia słoneczna uwalnia elektrony ze złącza p-n, które rozdziela warstwy p oraz n. Powoduje ona przemieszczenie się ich do warstwy n. Przy owym przemieszczaniu powstaje różnica potencjałów, czyli napięcie elektryczne.

Budowa paneli słonecznych

Panele słoneczne od góry składają się ze szkła hartowanego, pod spodem stosuje się warstwę folii, a później ogniwa. Pod ogniwami umieszcza się folię, warstwę spodnią i puszkę przyłączeniową. Górna elektroda ogniwa jest przeważnie ujemna, a dolna dodatnia.

Poszczególne rodzaje ogniw fotowoltaicznych mogą być wykonane z różnych materiałów oraz przy zastosowaniu różnych technologii. Branża ogniw fotowoltaicznych nieustannie się rozwija. Kolejne badania i eksperymenty koncentrują się wokół poprawienia sprawności i szukania możliwie najbardziej wydajnych materiałów pozwalających jeszcze skuteczniej przetwarzać energię słoneczną. Istotne jest również obniżenie kosztów produkcji.

Rodzaje ogniw fotowoltaicznych

  • Ogniwa fotowoltaiczne pierwszej generacji, czyli ogniwa grubowarstwowe

1)Monokrystaliczne – najbardziej wydajne i zarazem najdroższe. Wytwarza się je z monokryształu krzemu. Charakteryzują się czarnym kolorem.

2)Polikrystaliczne - tańsze ogniwa fotowoltaiczne, ale też mniej wydajne. Wytwarza się je z płytek krzemowych o nieregularnej strukturze krystalicznej. Charakteryzują się niebieskim kolorem i przypominają nieco szron.

  • Ogniwa fotowoltaiczne drugiej generacji, czyli ogniwa cienkowarstwowe

Ogniwa cienkowarstwowe wykonuje się m.in. z krzemu amorficznego, z mieszanki miedzi, indu, galu i selenu. Ich cechą charakterystyczną jest to, że są niezwykle cienkie. Co ciekawe, mogą być one elastyczne, dlatego nieraz wykorzystuje się je jako elementy budowlane. Dzięki niewielkiej grubości - od 0,001 do 0,08 mm przypominają one duże naklejki. Ogniwa cienkowarstwowe są tańsze od tych, wykonanych z krystalicznego krzemu.

  • Ogniwa fotowoltaiczne trzeciej generacji

Nieustannie trwają badania nad nowymi ogniwami słonecznymi. Jednym z ciekawszych pomysłów są barwnikowe ogniwa słoneczne. Nie posiadają one warstwy krzemu, a ich bazą jest barwnik o określonych właściwościach umieszczany na szkle fotowoltaicznym.

Ogniwa fotowoltaiczne – zastosowanie

Panele słoneczne bazują na odnawialnych źródłach energii, czerpiąc energię elektryczną ze Słońca. Dziś energia odnawialna jest wykorzystywana na szeroką skalę w wielu dziedzinach życia. Jeszcze w XX wieku sytuacja wyglądała zupełnie inaczej. Ogniwa fotowoltaiczne były rzadko wykorzystywane, co miało związek z wysoką ceną. Z czasem sytuacja zaczęła się zmieniać, ich koszt stał się dużo niższy i tendencja ta trwa po dziś dzień. Fotowoltaika rozwinęła na skalę przemysłową. Dzisiaj jest ona wykorzystywana przy wielu różnych projektach.

Ogniwa fotowoltaiczne w technologiach kosmicznych

Zastosowanie ogniw fotowoltaicznych w technologiach kosmicznych jest niewątpliwie jednym z najciekawszych zagadnień dotyczących energii odnawialnej. Panele są bezobsługowe i posiadają długą żywotność. W kosmosie promieniowanie słoneczne jest dużo silniejsze niż na Ziemi, dlatego też ogniwa fotowoltaiczne zasilają elektronikę w promach kosmicznych, stacjach orbitalnych, w sztucznych satelitach itp.

Ogniwa słoneczne w przemyśle i infrastrukturze miejskiej

Ogniwa fotowoltaiczne jako trwałe źródła energii sprawdzają się w elektrowniach słonecznych. Ogromne farmy słoneczne produkują energię na potężną skalę. Co ciekawe, część układów w stacjach pomiarowo-rozliczeniowych ropy naftowej, energii elektrycznej, czy gazu ziemnego jest zasilana przez ogniwa fotowoltaiczne. Energia odnawialna jest stosowana na szeroką skalę w przemyśle – zasila ona np. automatykę przemysłową, pomiarową w całych zakładach produkcyjnych. Infrastruktura miejsca również korzysta z ogniw fotowoltaicznych – świetnym przykładem są tutaj np. światła drogowe, oświetlone znaki i parkomaty. Coraz popularniejsze stają się samochody z napędem hybrydowym, które również wykorzystują fotowoltaikę.

Ogniwa fotowoltaiczne w przedmiotach codziennego użytku

W akumulatory fotowoltaiczne bywają wyposażone kampery, przyczepy kempingowe, domki jednorodzinne, pola namiotowe. Energia z ogniw ładujących się w ciągu dnia może być przydatna np. wieczorami i w nocy. Baterie fotowoltaiczne to rozwiązanie coraz częściej stosowane również w elektronice użytkowej – np. w lampach ogrodowych, zegarkach, powerbankach, plecakach i standardowo – w zegarkach i kalkulatorach.

Ogniwa fotowoltaiczne – czy warto?

Wykorzystanie energii słonecznej jest nie tylko ekologiczne, ale również opłacalne. Rozwój technologii w dziedzinie ogniw fotowoltaicznych przyczynia się do tego, że są one coraz lepsze. Panele słoneczne pozwalają zaoszczędzić sporo pieniędzy i zapewniają niezależność. Dzięki nim rachunki za prąd się obniżają. Instalacja fotowoltaiczna stanowi inwestycję na lata, jest prosta w działaniu i sprawdza się zarówno przy mniejszych, jak i większych powierzchniach.