O ogniwach słonecznych (fotowoltaicznych)

Ogniwa słoneczne, zwane także ogniwami lub komórkami fotowoltaicznymi (z ang. Photovoltaic, PV) przekształcają światło słoneczne w energię elektryczną. Nazwa fotowoltaiczne pochodzi od słowa foton i jednostki napięcia – volt. W ogniwie fotowoltaicznym dochodzi do procesu konwersji światła (fotonów) na elektryczność (powstaje napięcie). Jest to właśnie efekt fotowoltaiczny.

Historia

Po raz pierwszy efekt fotowoltaiczny zaobserwował A.C. Becquerel w 1839 r. w obwodzie oświetlonych elektrod umieszczonych w elektrolicie, a obserwacji tego zjawiska na granicy dwóch ciał stałych dokonali W. Adams i R. Day w roku 1876. Pierwsze ogniwa fotowoltaiczne powstały w latach pięćdziesiątych XX wieku, po tym gdy naukowcy z Bell Telephone odkryli, że krzem (element znajdujący się w piasku) wytwarza ładunek elektryczny, gdy zostaje wystawiony na działanie promieni słonecznych.

Rysunki ogniw fotowoltaicznych z wniosku patentowego nr US 2402662 A z maja 1941r.

Rysunki ogniw fotowoltaicznych z wniosku patentowego nr US 2402662 A z maja 1941r.  Źródło: Urząd patentowy Stanów Zjednoczonych

Wkrótce ogniwa słoneczne były wykorzystywane do zasilania satelitów kosmicznych i mniejszych elementów, takich jak kalkulatory i zegarki. W wielu domach można zaleźć takie kalkulatory sprzed lat, które działają bez zarzutu, co potwierdza trwałość technologii fotowoltaicznej.

Trzy generacje ogniw fotowoltaicznych

Tradycyjne ogniwa słoneczne wykonane są z krzemu i są zazwyczaj płaskie. Ogniwa słoneczne drugiej generacji są nazywane cienkowarstwowymi ogniwami słonecznymi, ponieważ są wykonane z bezpostaciowych materiałów krzemowych lub niezawierających krzemu, takich jak tellurek kadmu (CdTe). Ogniwa słoneczne wykorzystują bardzo cienkie warstwy materiałów półprzewodnikowych o grubości zaledwie kilku mikrometrów. Ze względu na swoją elastyczność, ogniwa słoneczne cienkowarstwowe można umieszczać bezpośrednio na przeszkleniach okien dachowych, elewacjach budynków czy na dachówkach.

Ogniwa słoneczne trzeciej generacji są wytwarzane z wielu nowych materiałów często niezawierających krzemu. Wykorzystuje się tutaj np. specjalne tusze słoneczne lub foto czułe barwniki nadrukowywane na powierzchnię czy specjalne plastiki przewodzące prąd. Niektóre nowe ogniwa słoneczne wykorzystują plastikowe soczewki lub lustra, aby skoncentrować światło słoneczne na bardzo małej, wysokiej jakości materiale fotowoltaicznym. Taki materiał fotowoltaiczny jest droższy od konwencjonalnych materiałów, ale ponieważ dzięki skupieniu światła potrzeba go mało, systemy te stają się opłacalne dla użytku przez przemysłowego. Jednakże, ponieważ soczewki muszą być skierowane na słońce, użycie koncentrujących kolektorów jest ograniczone do najbardziej słonecznych części globu.
Obecnie w masowo wykorzystuje się ogniwa pierwszej generacji – cały czas mają one najlepszy stosunek ceny do wielkości energii pozyskanej z ogniwa.

Ogniwa słoneczne łączy się w panele

Ponieważ ogniwo fotowoltaiczne z krystalicznego krzemu generuje napięcie ok. 0,5V ogniwa fotowoltaiczne łączy się szeregowo i otrzymuje panel fotowoltaiczny (bateria słoneczna) o odpowiednim napięciu. Dopiero tak połączone i odpowiednio obudowane i zabezpieczone w panelu ogniwa są instalowane na dachach domów. Prąd generowany przez panel fotowoltaiczny jest prądem stałym. Na wielkość płynącego prądu z ogniwa fotowoltaicznego ma wpływ powierzchnia ogniwa i natężenie padającego światła.

Jak dużo energii słonecznej padającej na ogniwo słoneczne zamienia się na energię elektryczną? W warunkach laboratoryjnych sprawność ogniw fotowoltaicznych sięga maksymalnie 21%. Co oznacza, że ponad 1/5 energii Słońca która dociera na powierzchnię ogniwa słonecznego zamieniana jest na prąd. W przemysłowej produkcji baterii słonecznych stosuje się ogniwa o sprawności wynoszącej około 15-18% choć wciąż trwają prace nad zwiększeniem tego parametru.