Fotowoltaika - teoria

Fotowoltaika jest z gałęzią nauki, techniki i przemysłu zajmującą się zastosowaniem zjawiska fotowoltaicznego do przemiany energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną. Fotowoltaika jest uznawana za najbardziej przyjazną środowisku technologię wytwarzania energii elektrycznej.

 

Pozyskiwaniu energii elektrycznej przez systemy ogniw słonecznych nie towarzyszą żadne zanieczyszczenia emitowane do środowiska naturalnego w postaci szkodliwych gazów, odpadów czy hałasu. Do produkcji prądu wykorzystuje się ogniwa fotowoltaiczne które przekształca promieniowanie słoneczne bezpośrednio w elektryczność. Ogniwo fotowoltaiczne to krzemowa płytka półprzewodnikowa, wewnątrz której istnieje bariera potencjału czyli pole potencjału w postaci złącza p-n (positive –negative). Padające na fotoogniwo promieniowanie słoneczne wybija elektrony z ich miejsce w strukturze półprzewodnika, tworząc pary nośników o przeciwnych ładunkach (elektron zładunkiem ujemnym i z ładunkiem dodatnim „dziura”, powstała po jego wybiciu). Ładunki te zostają następnie rozdzielone przez istniejące na złączu p-n pole elektryczne, co sprawia, że w ogniwie pojawia się napięcie. Wystarczy do ogniwa podłączyć urządzenie pobierające energię i następuje przepływ prądu elektrycznego.

 

Ogniwa słoneczne łączy się ze sobą w układy zwane modułami fotowoltaicznymi, a te z kolei służą do budowy systemów fotowoltaicznych.

Ogniwa fotowoltaiczne najczęściej wykonuje się z krzemu – drugiego po tlenie najbardziej rozpowszechnionego pierwiastka na Ziemi, który występuje m. in. w piasku. Ze względu na budowę skład, technologię wytwarzania oraz sprawność ogniwa fotowoltaniczne dzielimy na:

Ogniwa fotowoltaiczne I generacji – czyli te klasyczne, które większość z nas ma na myśli słysząc słowo fotowoltaika. Ogniwa te oparte są o tradycyjne krzemowe złącze p-n produkowane z bardzo czystego (99.99999) krzemu krystalicznego w postaci wafli grubości ok 200-300 mikrometrów. Charakteryzują się „wysoką” sprawnością zazwyczaj 17-22% jak również wysokimi kosztami produkcji. Głównie z uwagi na wysokie koszty krzemu oraz relatywnie małą automatyzację produkcji (wiele prac wykonuje wykwalifikowany pracownik) Obecny udział w rynku około 82%.

 
Moduły monokrystaliczne
Panele monokrystaliczne zbudowane są z pojedynczych ogniw tworzonych z jednorodnego kryształu krzemu o uporządkowanej budowie wewnętrznej. Powstają poprzez cięcie bloku krzemu odpowiedniej wielkości, na warstwy o grubości ok. 0,3mm. Wyprodukowany w ten sposób panel posiada najwyższy poziom sprawności i żywotności. Posiadają charakterystyczny ciemny kolor. Charakteryzują się wysoką sprawnością na poziomie 18-22% oraz wysoką ceną.
 
   

 

Moduły polikrystalicze

Panele polikrystaliczne (multikrystaliczne) są zbudowane z ogniw krzemowych wykonanych z wykrystalizowanego krzemu. Wiele małych kryształków krzemu powoduje, że ich powierzchnia jest niejednolita a przez to są mniej wydajne i tańsze w porównaniu do paneli monokrystalicznych. Najczęściej posiadają charakterystyczny niebieski kolor oraz wyraźnie zarysowane kryształy krzemu. Charakteryzują się sprawnością na poziomie 14-18% oraz umiarkowaną ceną.

 

 

     

 

Ogniwa amorficzne

wykonuje się z amorficznego bezpostaciowego, niewykrystalizowanego krzemu. Zasada budowy paneli amorficznych polega na osadzaniu cieniutkich warstw krzemu ok. 2mikrony na powierzchni innego materiału np. szkła.  Stąd nie ma możliwości wyodrębnienia pojedynczych ogniw. Taki sposób produkcji paneli fotowoltaicznych jest najbardziej oszczędny. Jednak panele amorficzne osiągają najniższy poziom sprawności w porównaniu z panelami monokrystalicznymi i polikrystalicznymi. Posiadają charakterystyczny bordowy kolor i brak widocznych kryształków krzemu. Często stosowane w małych urządzeniach np. kalkulatorach, zegarkach, przenośnych zabawkachModuły amorficzne. Charakteryzują się niską sprawnością w przedziale 6-10% oraz niską ceną.

 

Ogniwa fotowoltaiczne II generacji – także zbudowane w oparciu i złącze P-N jednak nie z krzemu krystalicznego lecz np. z tellurku kadmu (CdTe), mieszaniny miedzi, indu, galu, selenu (CIGS) czy krzemu amorficznego. Ich cechą charakterystyczną jest bardzo mała grubość warstwy półprzewodnika absorbującej światło, która zazwyczaj waha się od 1-3 mikrometrów. Z uwagi na dużą redukcję zużycia półprzewodników są znacznie tańsze w produkcji a cały proces bardziej zautomatyzowany. Główną wadą ogniw II generacji jest niższa sprawność od ogniw I generacji, która w zależności od technologii waha się od 7-15%. Obecny udział w rynku ok 18%.

 

Ogniwa CIGS

Do ich produkcji wykorzystuje się mieszaniny takich półprzewodników jak miedź, gal, ind, selen. W przypadku ogniw opartych o CIGS możliwa jest ich produkcja metodą przemysłowego druku który jest bardzo tanim i wydajnym sposobem produkcji ogniw. Moduły wykonane w tej technologii często są wykonane z jednego ogniwa którego sprawność wynosi  od 12 do 14%/.

 

Ogniwa CdTe 

Do produkcji tego typu ogniw wykorzystuje się półprzewodnik jakim jest tellurek kadmu CdTe. Z uwagi na bardzo niskie zużycie półprzewodnika ogniwa oparte o tellurek kadmu charakteryzują się dobrym stosunkiem ceny do mocy, sprawność tego ogniwa wynosi od 10 do 12% a moduły często zbudowane są z jednego ogniwa.

 

Ogniwa fotowoltaiczne III generacji – pozbawione są złącza P-N niezbędnego przy produkcji ogniw fotowoltaicznych z wykorzystaniem tradycyjnych półprzewodników. Obecnie do ogniw III generacji zaliczane są bardzo różne technologie jednak najbardziej zaawansowane prace są nad ogniwami DSSC oraz organicznymi z wykorzystaniem polimerów. Wielką zaletą ogniw II generacji są niskie koszty oraz prostota produkcji. Główną przeszkodą w ich popularyzacji jest niska sprawność oscylująca wokół kilku procent. Obecny udział w rynku ogniw III generacji nie przekracza 0.5%. 

Same ogniwa czy też moduły stanowią tylko część całej instalacji. W zależności od rodzaju instalacji na którą się zdecydujemy czy będzie to instalacja samodzielna czy też podłączona do sieci w jej skład będą wchodziły różne podzespoły. Instalacje fotowoltaiczne dzielone są na tak zwane On-Grid i Off-Grid

System On-Grid – zasilanie z ogniw jest bezpośrednio połączone z siecią energetyczną. Ta opcja pozwala na sprzedaż energii i bezpośrednie bilansowania kupowanej mocy. Do systemu On-grid stosujemy specjalny inwerter On-grid, który harmonizuje napięcie wychodzące z ogniw z napięciem sieciowym.

System Off-Grid – system składający się z ogniw, sterownika, akumulatorów i inwertera. System ten ma głównie zastosowanie w domkach jednorodzinnych. W tym systemie energia zgromadzona w akumulatorach jest bezpośrednio przekazywana do odbiorników włączonych w obwód elektryczny ogniwa. System Off-Grid można również łączyć z siecią.

W tej sytuacji proponowane są 2 rozwiązania:
a. Brak systemu podłączenia z siecią – w tym wypadku robiona jest druga instalacja – wyprowadzenie kilku gniazdek w domu. Tym sposobem jesteśmy w stanie bezpośrednio włączać urządzenia (telewizor, lodówka, etc.) do zasilania ogniw.

b. Integracja z siecią energetyczną – w tym wypadku stosowany jest specjalny przełącznik, który służy do automatycznego przełączania pomiędzy siecią energetyczną a ogniwami. Innymi słowy w momencie braku energii w akumulatorach system automatycznie przełączy się na sieć energetyczną.