Ogniwa fotowoltaiczne – zasada i schemat działania

Ogniwa fotowoltaiczne to technologia o prostych podstawach, jednak dogłębne jej zrozumienie wymaga choćby podstawowej wiedzy z dziedzin takich jak chemia i fizyka. W poniższym tekście rozwijamy temat podstaw działania ogniw PV i bardziej szczegółowo tłumaczymy zasady, zgodnie z którymi promieniowanie słoneczne jest zamieniane bezpośrednio w prąd elektryczny.

O ogniwach fotowoltaicznych – ogólne zasady

Odpowiednia ilość ogniw fotowoltaicznych (zazwyczaj około 40) składa się na jeden panel PV. Aby za pomocą energii pozyskiwanej z promieniowania słonecznego ogrzać dom, potrzebne jest od 15 do 30 paneli. Elementy te umieszczane są na ruchomej konstrukcji, która podąża za słońcem tak, aby wychwytywać maksymalną ilość promieniowania. Duża ilość połączonych ze sobą paneli PV tworzy tzw. farmę fotowoltaiczną.

W zakresie ogniw fotowoltaicznych stosowane są następujące rozwiązania konstrukcyjne:

• tradycyjne ogniwa PV (pierwszej generacji) – tworzone z krzemu, o charakterystycznym wyglądzie płaskiej płyty. Najpopularniejsze ze względu na wysoką efektywność;
• ogniwa PV drugiej generacji – tzw. thin-film. Do ich właściwości należy bardzo mała grubość oraz giętkość (ogniwa te mogą być wykorzystywane jako dachówki, pokrycie fasady, a nawet okien);
• ogniwa PV trzeciej generacji – z tworzyw innych niż krzem, często – bardzo efektywnych tworzyw PV. Bywają wyposażone w dodatkowe lustra i soczewki, które skupiają promienie słoneczne, jeszcze bardziej podnoszą efektywność paneli.

Jak działają ogniwa fotowoltaiczne?

Ogniwa fotowoltaiczne, inaczej nazywane ogniwami słonecznymi, są urządzeniami, które przetwarzają promieniowanie słoneczne na energię elektryczną. Podstawą ich budowy są półprzewodnikowe złącza typu n-p. W złączach tych znajduje się obszar przejściowy, w którym istnieje wbudowane pole elektryczne. Obszar przejściowy jest także tzw. obszarem zubożonym, czyli innymi słowy – warstwą zaporową bądź obszarem ładunku przestrzennego. Charakterystyczne dla niego jest występowanie zjonizowanych ładunków atomów, które znajdują się w węzłach sieci krystalograficznej.

Schemat działania ogniwa fotowoltaicznego

Fotony dysponujące energią przewyższającą szerokość przerwy energetycznej zostają zaabsorbowane przez elektrony walencyjne. W związku z tym cząstki elementarne zostają wzbudzone oraz przechodzą z pasma walencyjnego do pasma przewodzenia. Każdy z zaabsorbowanych w ten sposób fotonów generuje właściwie tylko jedną parę nośników- dziurę oraz elektron. Możliwa jest sytuacja, w której przez wysokoenergetyczny foton wygenerowanych zostanie więcej niż jedna para nośników. Może zdarzyć się tak, że wiele fotonów niskoenergetycznych wygeneruje jedną parę nośników ładunków. Opisane sytuacje nie mają jednak wpływu na efektywne działanie produkowanych współcześnie ogniw PV.

Wskutek opisanych wyżej zjawisk powstają nadprogramowe nośniki ładunków, pojawiające się w całym obszarze ogniwa – w obszarach typu n,p oraz w obszarze zubożonym. Elektrony występujące w półprzewodniku p oraz dziury pojawiające się w półprzewodniku n ulegają rozdzieleniu przez pole elektryczne złącza (o ile wcześniej nie dojdzie do procesu rekombinacji). Następnie elektrony przechodzą do obszaru typu n, a dziury – do obszaru typu p. W ten sposób dochodzi do pojawienia się różnicy potencjałów, występującej między tzw. kontaktami omowymi do obu półprzewodników. Zjawisko to nosi nazwę efektu fotowoltaicznego. Jeśli w takich warunkach do obu kontaktów zostanie podłączone obciążenie, wówczas popłynie prąd.

Nowe rozwiązania technologiczne w zakresie ogniw fotowoltaicznych

Niegdyś uważano, że złącze półprzewodnikowe to niezbędny element konieczny do stworzenia ogniwa PV. Tymczasem istnieją inne technologie, które nie wymagają zastosowania tej części. Tu należy wymienić przede wszystkim ogniwa polimerowe lub barwnikowe. Obecnie podejmowane są także próby stworzenia uniwersalnego modelu urządzeń fotowoltaicznych, który całkowicie eliminowałby potrzebę wykorzystania złącza.

Podstawą pojawienia się tzw. akcji w ogniwach PV jest to, aby zaabsorbowany foton wybudzał elektrony tak, by przechodziły one ze stanu niskiej energii do stanu o wysokiej energii. Kolejny warunek to odbiór nośników przez selektywne energetycznie kontakty w taki sposób, żeby wzbudzone elektrony były transportowane do wysokoenergetycznego kontaktu ujemnego natomiast niskoenergetyczne ładunki do niskoenergetycznego kontaktu dodatniego.