Zadaniem ogniw fotowoltaicznych jest przetwarzanie energii słonecznej na elektryczną, a głównym pierwiastkiem stosowanym do ich produkcji jest krzem, moduły mogą różnić się między sobą nie tylko materiałem, ale również technologią wytwarzania.
Ogniwa fotowoltaiczne – budowa, zasada działania
Budowa poszczególnych modułów fotowoltaicznych może się różnić, w zależności od technologii wytwarzania oraz materiałów użytych do ich budowy. Najbardziej popularne i najszerzej obecnie stosowane moduły PV posiadają ramę. Od góry poszczególne ogniwa przykrywa szyba ze szkła hartowanego, pod nią jest warstwa folii a następnie ogniwa. Kolejno, pod ogniwami znajduje się znowu warstwa folii, warstwa spodnia oraz puszka przyłączeniowa. Ogniwo posiada górną elektrodę ujemną a dolną – dodatnią.
Zasada działania ogniw fotowoltaicznych jest stosunkowo prosta. Ogniwo składa się z półprzewodnikowej warstwy typu p oraz typu n, które rozdzielone są obszarem typu i. Półprzewodnik typu p domieszkowany jest tak, żeby był w nim nadmiar elektronów, a z kolei typu n tak, żeby było ich za mało. Energia fotonu uwalnia elektrony z obszaru typu i, powodując ich przemieszczanie się do warstwy dolnej. Powstaje przy tym różnica potencjałów, a więc napięcie elektryczne.
Ogniwa fotowoltaiczne – produkcja zależna od materiału i technologii
Tak jak budowa ogniw fotowoltaicznych może być zróżnicowana w zależności od materiału, również technologia ich wytwarzania nie jest taka sama. Ze względu na stosunkowo niską sprawność ogniw, czyli niewielką zdolność przetwarzania energii słonecznej na energię elektryczną (nieco ponad 20% to dobry wynik), nieprzerwanie trwają badania i eksperymenty, które mają na celu znalezienie bardziej wydajnego materiału, a także takiej technologii produkcji, która pozwoli na skuteczniejsze przetworzenie dostępnej energii słonecznej.
W ten sposób powstały organiczne ogniwa fotowoltaiczne zbudowane z cząsteczek bazujących na węglu. Technologia ta nie tylko pozwala na wytworzenie ultracienkich paneli o grubości około 1 mm, ale eliminuje konstrukcje wsporcze i tradycyjne mocowania, dzięki temu, że moduły są elastyczne. Ogniwa fotowoltaiczne organiczne dopasowują się kształtem do wybranej powierzchni i wyglądem przypominają duże, prostokątne naklejki.
Podobnie modułami, które nie mają w swoim składzie krzemu są tzw. barwnikowe ogniwa słoneczne bazujące właśnie na barwniku o odpowiednich właściwościach, który umieszcza się na szkle fotowoltaicznym. Ta technologia jest bardzo tania w produkcji, jednak podobnie jak w przypadku ogniw organicznych, sprawność paneli barwnikowych jest niska, około 13%.
Proces wytwarzania mono- i polikrystalicznych paneli krzemowych
Póki co jednak, proces produkcji ogniw krzemowych, czyli tych najczęściej stosowanych i najbardziej popularnych jest bardzo podobny, niezależnie od tego, w jakim laboratorium wytwarzane są ogniwa. Zwykle składa się z kilku kroków i może przebiegać tak, jak w poniższym przykładzie.
- Pozyskanie krzemuCzysty krzem powstaje z dwutlenku krzemu, który jest najbardziej rozpowszechnionym związkiem chemicznym na Ziemi. Zanim jednak stanie się zdatny do produkcji ogniw, musi zostać zredukowany węglem. W wyniku redukcji powstaje krzem metalurgiczny o czystości około 98 – 99%. Dla zastosowań w elektronice taki krzem jest jeszcze zbyt zanieczyszczony, dlatego poddany zostaje kolejnym reakcjom chemicznym, czyli tzw. procesowi Siemensa. Uzyskany w ten sposób krzem jest wystarczająco czysty do produkcji ogniw fotowoltaicznych.
- Strukturyzacja krzemu monkrystalicznegoKrzem może mieć strukturę: monokryształu, multikryształu lub amorficzną. Ten pierwszy otrzymujemy np. tzw. metodą Czochralskiego, czyli w procesie, w którym w topiony krzem polikrystaliczny opuszcza się zarodź monokryształu. Jest ona obracana wokół własnej osi i wyciągana, przy zachowaniu równowagi między prędkością krystalizacji a prędkością wyciągania. Monokryształy otrzymane tą metodą mają zwykle około 300 mm średnicy i do 2 m długości. Istnieją oczywiście również inne metody wytwarzania krzemu monokrystalicznego.
- Wytworzenie bloku polikrystalicznegoProdukcja monokryształów jest stosunkowo droga, dlatego aby obniżyć ich cenę, zaczęto wytwarzać ogniwa z krzemu multikrystalicznego (polikrystalicznego). Ogniwa te uzyskują mniejszą sprawność, jednak są o wiele tańsze w produkcji. Wytworzenie bloku krzemu polikrystalicznego jest stosunkowo proste. Roztapia się go w sposób kontrolowany, a następnie pozwala na krzepnięcie w tyglu kwarcowym pokrytym nie przywierającą warstwą. Po zastygnięciu w tyglu, otrzymywany jest jeden blok polikryształów.
- Wytwarzanie ogniwaKrzemowi nadaje się charakter półprzewodnika typu p (o nadmiarze elektronów) domieszkując go już podczas krystalizacji, natomiast warstwę n (z niedoborem elektronów) tworzy się metodą dyfuzji. Dla zachowania prawidłowej izolacji pomiędzy półprzewodnikiem p oraz n, krawędź płytki poddaje się tzw. wytrawianiu plazmowemu. Z kolei sprawność ogniwa polepszana jest dzięki naniesionej na nie przezroczystej warstwy antyrefleksyjnej, np. dwutlenku tytanu.
- Naniesienie elektrodOstatnim etapem produkcji ogniw jest nanoszenie elektrody górnej i dolnej, wytworzonych z materiału o dobrej przewodności elektrycznej. Elektroda dolna zwykle jest aluminiowa, a górna – srebrna.
Ogniwa fotowoltaiczne – zastosowanie
Panele słoneczne wytwarzają energię elektryczną ze słonecznego promieniowania elektromagnetycznego, są swojego rodzaju elektrowniami bazującymi na tzw. OZE, czyli odnawialnych źródłach energii, w tym przypadku Słońcu. Poza zasilaniem w energię gospodarstw domowych czy zakładów przemysłowych, są elementami dużych farm słonecznych, których zadaniem jest produkcja energii elektrycznej na wielką skalę. Ogniwa fotowoltaiczne używane są również punktowo w infrastrukturze miejskiej, np. zasilając światła drogowe czy parkomaty. Mają zastosowanie także w technologiach kosmicznych ze względu na bezobsługowość oraz dużą żywotność.
