Znajomość efektu fotowoltaicznego jest niezbędna, jeśli chcemy zrozumieć sposób działania paneli fotowoltaicznych. Czym zatem jest efekt fotowoltaiczny i dlaczego ogniwa słoneczne działają?
Efekt fotowoltaiczny – definicja
Efekt fotowoltaiczny to zjawisko polegające na generacji nośników ładunku w półprzewodniku pod wpływem działania promieniowania słonecznego. Należy do rodzaju zjawisk fotowoltaicznych wewnętrznych, gdyż ma miejsce wewnątrz struktury materiału, a nie poza nią.
Pod wpływem działania promieni słonecznych, elektrony znajdujące się w krysztale krzemu zostają wzbudzone, przechodzą na wyższy poziom energetyczny i zostają wybite. Na skutek ich przemieszczania się pomiędzy elektrodami, powstaje różnica potencjałów, a tym samym prąd elektryczny stały.
To tyle, jeśli chodzi o definicję i formułkę fizyczną. Pora zrozumieć wreszcie to zagadnienie.
Panele fotowoltaiczne – z czego to jest zbudowane?
Ogniwa słoneczne najczęściej zbudowane są z krzemu – mono- lub polikrystalicznego. Na rynku dostępne są panele z innych materiałów, ale zasada efektu fotowoltaicznego pozostaje ta sama, w związku z czym nasze przykłady będą opierać się o krzem.
Co ważne, krzem jest półprzewodnikiem, czyli materiałem, którego przewodność elektryczna zmienia się pod wpływem wielu czynników – w tym przede wszystkim ogrzewania i oświetlania. Każdy pierwiastek ma w sobie elektrony – cząstki elementarne, które posiadają pewną energię własną. Dostarczając im dodatkowej energii, jesteśmy w stanie je wzbudzić i również umieścić na wyższej orbicie. Te informacje są nam niezbędne do zrozumienia efektu fotowoltaicznego.
Efekt fotowoltaiczny – jak to działa?
Światło słoneczne, padające na kryształ krzemu, należy postrzegać jako strumień cząsteczek elementarnych – fotonów. Fotony również przenoszą pewien ładunek energii. Proces oświetlania półprzewodnika jest tak naprawdę bombardowaniem znajdujących się w nim elektronów przez fotony, co początkuje zjawisko fotowoltaiczne. Przy spełnieniu pewnych warunków, foton jest pochłaniany przez elektron, który przejmuje jego energię, a tym samym przechodzi do stanu wzbudzenia, a w atomie krzemu powstaje tzw. dziura elektronowa.
Co się dzieje z elektronami?
Elektrony zaczynają się poruszać w kierunku przeciwnym do powstałych dziur elektronowych, a tym samym powstaje prąd elektryczny. W przypadku efektu fotowoltaicznego zachodzącego w ogniwach słonecznych, konieczne jest również zrozumienie tzw. złącza P-N, które odgrywa tu kluczową rolę.
Ogniwo fotowoltaiczne – zasada działania
Złącze P-N to nic innego jak umieszczone obok siebie dwa półprzewodniki o różnych typach. W krzemie domieszkiwanym pierwiastkami V grupy otrzymujemy półprzewodnik typu N, w którym znajduje się więcej elektronów niż dziur. Z drugiej strony mamy półprzewodnik typu P z odwrotnym stosunkiem poprzez domieszkiwanie pierwiastkami III grupy. Przez naświetlanie złącza następuje dyfuzja dziur i elektronów między sobą. Oznacza to, że na jego końcach pojawia się różnica potencjałów – tzw. napięcie otwartego obwodu.
Efekt fotowoltaiczny a generowany prąd
Wyżej przedstawiony schemat działania jest dość mocno uproszczony. Wystarczy nam wiedza, że w konsekwencji oddziaływania fotonów na złącze P-N powstaje napięcie (różnica potencjałów) wynikające z przepływu elektronów i dziur. Generuje to przepływ prądu przy podłączonym obciążeniu, co nazywane jest inaczej jako konwersja fotowoltaiczna. Energia może zostać:
- wykorzystana do podgrzewania wody w budynku,
- użyta do zasilania sprzętów elektrycznych,
- oddana do sieci przesyłowej,
- zgromadzona w akumulatorze do późniejszego użycia.
By jednak móc korzystać z powstałej w ten sposób energii w domu, konieczny jest falownik (zamieniający prąd stały na zmienny). Musimy także pamiętać, że powstały w ogniwie prąd jest stały, a my do zasilania urządzeń w naszych domach potrzebujemy prądu zmiennego.
Parametry ogniwa słonecznego, czyli od czego zależy sprawność
Sprawność ogniwa to nic innego jak stosunek generowanej mocy do padającego na nie promieniowania słonecznego. Faktycznie efektywność zależy od wielu czynników – na niektóre mamy wpływ, na inne już niestety nie. Między innymi są to:
- struktura krystaliczna materiału – w naszym wypadku krzemu,
- właściwości zastosowanych powłok antyrefleksyjnych,
- jakość połączenia między kolejnymi ogniwami fotowoltaicznymi,
- warunki atmosferyczne, które panują w danej chwili.
Skuteczność efektu fotowoltaicznego w dużej mierze zależy właśnie od struktury materiału – liczby elektronów i wiązań czy energii, którą trzeba dostarczyć, by je wzbudzić. Stąd właśnie obserwujemy różną sprawność dla paneli mono- i polikrystalicznych, choć oba są wykonane z tego samego pierwiastka.
Efekt fotowoltaiczny a wysokie temperatury
Dużym problemem efektu fotowoltaicznego jest podatność na zmianę warunków atmosferycznych oraz na ogrzewanie. Bardzo ciężko jest wyeliminować ten czynnik. Panel fotowoltaiczny jest instalowany w miejscu nasłonecznionym wiec prędzej czy później zacznie się bardzo szybko nagrzewać. Zjawisko do zależy od temperatury otoczenia. By minimalizować ten efekt stosuje się różne rodzaje powłok, antyrefleksyjnych czy zabezpieczających ogniwa. Nigdy jednak nie jesteśmy w stanie całkowicie pozbyć się efektu nagrzewania.
W panelach słonecznych monokrystalicznych możemy obserwować spadek sprawności sięgający nawet 0,5% na każdy dodatkowy stopień Celsjusza. Najmniej podatne na wysokie temperatury, ale równocześnie najdroższe są ogniwa z Tellurku kadmu (CdTe).
Dowiedz się więcej: Rodzaje ogniw fotowoltaicznych
Efekt fotowoltaiczny jest podstawą działania wszystkich rodzajów ogniw. Choć może zmieniać się materiał wykonania, powłoki zabezpieczającej czy ułożenia, to prawo fizyczne jest to samo. Zjawisko to odpowiada za generowanie zielonej i odnawialnej energii dla naszych domów. Warto wiedzieć, dlaczego się tak dzieje.
