Panele fotowoltaiczne

Ogniwa fotowoltaiczne - czym są, jak są zbudowane?

21 Lipiec 2023

Ogniwa fotowoltaiczne to elementy, z których wykonany jest panel fotowoltaiczny. Ogniwo fotowoltaiczne to forma płytki wykonana z pierwiastku zdolnego do przewodzenia prądu, jakim jest krzem. Krzem jest pierwiastkiem, który plasuje się na trzecim miejscu, co do wielkości rozprzestrzeniania się na naszej planecie, po azocie i tlenie. Dzięki temu ogniwa krzemowe są relatywnie tanie. Krzem nadaje ogniwom fotowoltaicznym właściwości półprzewodnika.

Jak dokładnie wygląda budowa ogniwa fotowoltaicznego?

Ogniwo fotowoltaiczne składa się z dwóch warstw krzemu typu p i n. Pierwsza warstwa jest cieńsza – oznaczona jako „n”, na górze znajduje się elektroda ujemna i powłoka antyrefleksyjna. Elektroda ujemna w postaci siatki zbiera padające na nią promieniowanie słoneczne. Górna warstwa to więc elektrody absorbujące energię słoneczną i będące jej nośnikiem. Spód to zaś grubsza warstwa „p”, elektroda dodatnia. Pomiędzy nimi znajduje się bariera potencjałów – tzw. złącze p-n.

Zasada działania ogniwa polega na występowaniu efektu fotowoltaicznego na złączu dwóch półprzewodników, typu p i typu n, czyli we wspomnianej barierze potencjału. W złączu p-n koncentracja dziur w obszarze typu p jest większa, niż w obszarze typu n i analogicznie koncentracja elektronów jest znacznie większa w obszarze n w stosunku do ich koncentracji w obszarze p. Na skutek tego gradientu koncentracji nośników powstaje tzw. prąd dyfuzyjny.

Ujmując to w inny sposób: energia słoneczna traktowana jest przez ogniwo fotowoltaiczne, jako fotony (kwanty), które zderzają się z elektronami płytki krzemowej i odbierają energię. Elektrony przenoszą je do wspomnianego pasma przewodnictwa, gdzie dochodzi do fizycznych procesów wytworzenia energii o stałym napięciu.

Przy takiej budowie ogniwa fotowoltaicznego dochodzi w nim do tzw. fizycznego zjawiska fotoemisji definiowanego, jako emisja elektronów z powierzchni przedmiotu na skutek jego naświetlenia.

Jak wyglądają ogniwa fotowoltaiczne oraz ich podstawowe rodzaje

Ogniwa fotowoltaiczne to płytki krzemowe łączone w panele, a następnie w moduły. Najważniejszy podział ogniw fotowoltaicznych jest następujący:

  • ogniwa fotowoltaiczne polikrystaliczne – cechują się mniejszą sprawnością i efektywnością. Osiągają wydajność na poziomie 14-16%.  Przedrostek poli- lub mono- oznacza ilość kryształów krzemu, z którego zbudowane jest ogniwo. Zasada jest następująca, im mniej kryształów krzemu w budowie ogniwa, tym więcej swobody w poruszaniu mają elektrony i tym większa wydajność ogniwa; wizualnie prezentują się jako kwadraty o jasno niebieskiej barwie;
  • ogniwa fotowoltaiczne monokrystaliczne – jeden, duży monokrystaliczny krzem, zdecydowanie większa efektywność działania. Wizualnie ogniwa te są ciemnej barwy – od ciemno niebieskiej po czarną, w formie kwadratów z ściętymi rogami.

Jakie technologie mogą cechować ogniwa fotowoltaiczne?

Pierwszą istotną technologią jest PERC – polega na umieszczeniu w spodzie ogniwa fotowoltaicznego dodatkowej warstwy dieelektryka – izolatora, który działa na zasadzie reflektora. Jeśli promienie słoneczne docierając do dolnej warstwy ogniwa fotowoltaicznego nie wytworzą elektronu to odbijają się i powstaje druga szansa do ich wykorzystania na energię elektryczną.

Bardzo efektywną i pożądaną technologią przy ogniwach fotowoltaicznych jest technologia Half-Cut – technologia ta w największym skrócie dotyczy wymiarów ogniwa fotowoltaicznego i przełożenia tego na efektywność. Wymiary tradycyjnego ogniwa fotowoltaicznego to 156x156cm, zaś ogniwa wykonanego w technologii cięcia na pół: 156×78 cm. Dzięki mniejszej powierzchni ogniwa osiągany jest efekt lepszej i skuteczniejszej pracy ogniw fotowoltaicznych i minimalizacja strat przy częściowym zacienieniu.