Laboratorium Fotowoltaiczne
Instytutu Metalurgii i Inżynierii Materiałowej
Polskiej Akademii Nauk

Ogniwa fotowoltaiczne – zasada i schemat dzia┼éania


Ogniwa fotowoltaiczne to technologia o prostych podstawach, jednak dog┼é─Öbne jej zrozumienie wymaga cho─çby podstawowej wiedzy z dziedzin takich jak chemia i fizyka. W poni┼╝szym tek┼Ťcie rozwijamy temat podstaw dzia┼éania ogniw PV i bardziej szczeg├│┼éowo t┼éumaczymy zasady, zgodnie z kt├│rymi promieniowanie s┼éoneczne jest zamieniane bezpo┼Ťrednio w pr─ůd elektryczny.

O ogniwach fotowoltaicznych – og├│lne zasady

Odpowiednia ilo┼Ť─ç ogniw fotowoltaicznych (zazwyczaj oko┼éo 40) sk┼éada si─Ö na jeden panel PV. Aby za pomoc─ů energii pozyskiwanej z promieniowania s┼éonecznego ogrza─ç dom, potrzebne jest od 15 do 30 paneli. Elementy te umieszczane s─ů na ruchomej konstrukcji, kt├│ra pod─ů┼╝a za s┼éo┼äcem tak, aby wychwytywa─ç maksymaln─ů ilo┼Ť─ç promieniowania. Du┼╝a ilo┼Ť─ç po┼é─ůczonych ze sob─ů paneli PV tworzy tzw. farm─Ö fotowoltaiczn─ů.

W zakresie ogniw fotowoltaicznych stosowane s─ů nast─Öpuj─ůce rozwi─ůzania konstrukcyjne:

  • tradycyjne ogniwa PV (pierwszej generacji) – tworzone z krzemu, o charakterystycznym wygl─ůdzie p┼éaskiej p┼éyty. Najpopularniejsze ze wzgl─Ödu na wysok─ů efektywno┼Ť─ç;
  • ogniwa PV drugiej generacji – tzw. thin-film. Do ich w┼éa┼Ťciwo┼Ťci nale┼╝y bardzo ma┼éa grubo┼Ť─ç oraz gi─Ötko┼Ť─ç (ogniwa te mog─ů by─ç wykorzystywane jako dach├│wki, pokrycie fasady, a nawet okien);
  • ogniwa PV trzeciej generacji – z tworzyw innych ni┼╝ krzem, cz─Östo – bardzo efektywnych tworzyw PV. Bywaj─ů wyposa┼╝one w dodatkowe lustra i soczewki, kt├│re skupiaj─ů promienie s┼éoneczne, jeszcze bardziej podnosz─ů efektywno┼Ť─ç paneli.

Jak dzia┼éaj─ů ogniwa fotowoltaiczne?

Ogniwa fotowoltaiczne, inaczej nazywane ogniwami s┼éonecznymi, s─ů urz─ůdzeniami, kt├│re przetwarzaj─ů promieniowanie s┼éoneczne na energi─Ö elektryczn─ů. Podstaw─ů ich budowy s─ů p├│┼éprzewodnikowe z┼é─ůcza typu n-p. W z┼é─ůczach tych znajduje si─Ö obszar przej┼Ťciowy, w kt├│rym istnieje wbudowane pole elektryczne. Obszar przej┼Ťciowy jest tak┼╝e tzw. obszarem zubo┼╝onym, czyli innymi s┼éowy – warstw─ů zaporow─ů b─ůd┼║ obszarem ┼éadunku przestrzennego. Charakterystyczne dla niego jest wyst─Öpowanie zjonizowanych ┼éadunk├│w atom├│w, kt├│re znajduj─ů si─Ö w w─Öz┼éach sieci krystalograficznej.

Schemat działania ogniwa fotowoltaicznego

Fotony dysponuj─ůce energi─ů przewy┼╝szaj─ůc─ů szeroko┼Ť─ç przerwy energetycznej zostaj─ů zaabsorbowane przez elektrony walencyjne. W zwi─ůzku z tym cz─ůstki elementarne zostaj─ů wzbudzone oraz przechodz─ů z pasma walencyjnego do pasma przewodzenia. Ka┼╝dy z zaabsorbowanych w ten spos├│b foton├│w generuje w┼éa┼Ťciwie tylko jedn─ů par─Ö no┼Ťnik├│w- dziur─Ö oraz elektron. Mo┼╝liwa jest sytuacja, w kt├│rej przez wysokoenergetyczny foton wygenerowanych zostanie wi─Öcej ni┼╝ jedna para no┼Ťnik├│w. Mo┼╝e zdarzy─ç si─Ö tak, ┼╝e wiele foton├│w niskoenergetycznych wygeneruje jedn─ů par─Ö no┼Ťnik├│w ┼éadunk├│w. Opisane sytuacje nie maj─ů jednak wp┼éywu na efektywne dzia┼éanie produkowanych wsp├│┼écze┼Ťnie ogniw PV.

Wskutek opisanych wy┼╝ej zjawisk powstaj─ů nadprogramowe no┼Ťniki ┼éadunk├│w, pojawiaj─ůce si─Ö w ca┼éym obszarze ogniwa – w obszarach typu n,p oraz w obszarze zubo┼╝onym. Elektrony wyst─Öpuj─ůce w p├│┼éprzewodniku p oraz dziury pojawiaj─ůce si─Ö w p├│┼éprzewodniku n ulegaj─ů rozdzieleniu przez pole elektryczne z┼é─ůcza (o ile wcze┼Ťniej nie dojdzie do procesu rekombinacji). Nast─Öpnie elektrony przechodz─ů do obszaru typu n, a dziury – do obszaru typu p. W ten spos├│b dochodzi do pojawienia si─Ö r├│┼╝nicy potencja┼é├│w, wyst─Öpuj─ůcej mi─Ödzy tzw. kontaktami omowymi do obu p├│┼éprzewodnik├│w. Zjawisko to nosi nazw─Ö efektu fotowoltaicznego. Je┼Ťli w takich warunkach do obu kontakt├│w zostanie pod┼é─ůczone obci─ů┼╝enie, w├│wczas pop┼éynie pr─ůd.

Nowe rozwi─ůzania technologiczne w zakresie ogniw fotowoltaicznych

Niegdy┼Ť uwa┼╝ano, ┼╝e z┼é─ůcze p├│┼éprzewodnikowe to niezb─Ödny element konieczny do stworzenia ogniwa PV. Tymczasem istniej─ů inne technologie, kt├│re nie wymagaj─ů zastosowania tej cz─Ö┼Ťci. Tu nale┼╝y wymieni─ç przede wszystkim ogniwa polimerowe lub barwnikowe. Obecnie podejmowane s─ů tak┼╝e pr├│by stworzenia uniwersalnego modelu urz─ůdze┼ä fotowoltaicznych, kt├│ry ca┼ékowicie eliminowa┼éby potrzeb─Ö wykorzystania z┼é─ůcza.

Podstaw─ů pojawienia si─Ö tzw. akcji w ogniwach PV jest to, aby zaabsorbowany foton wybudza┼é elektrony tak, by przechodzi┼éy one ze stanu niskiej energii do stanu o wysokiej energii. Kolejny warunek to odbi├│r no┼Ťnik├│w przez selektywne energetycznie kontakty w taki spos├│b, ┼╝eby wzbudzone elektrony by┼éy transportowane do wysokoenergetycznego kontaktu ujemnego natomiast niskoenergetyczne ┼éadunki do niskoenergetycznego kontaktu dodatniego.

photovoltaic_principles.pdf
File Size:366 kb
File Type:pdf

Download File

Laboratorium Fotowoltaiczne Instytutu Metalurgii i Inżynierii Materiałowej Polskiej Akademii Nauk

Laboratorium Fotowoltaiczne Instytutu Metalurgii i Inżynierii Materiałowej Polskiej Akademii Nauk