Fotowoltaika » Opis » co to? » Definicja pojęcia
Ekologia.pl Wiedza Encyklopedia fotowoltaika
Definicja pojęcia:

fotowoltaika

Spis treści

Fotowoltaika (PV, ang. photovoltaics) – proces bezpośredniego przetwarzania (konwersji) promieniowania słonecznego na energię elektryczną za pomocą ogniw fotowoltaicznych (ogniw słonecznych) zbudowanych z materiałów półprzewodnikowych (np. krystalicznego krzemu) z wykorzystaniem zachodzącego w ich wnętrzu zjawiska (efektu) fotowoltaicznego. Polega ono na generowaniu siły elektromotorycznej, czyli czynnika wywołującego przepływ prądu elektrycznego, pod wpływem padających na ogniwo fotowoltaiczne cząstek światła (tzw. fotonów). Uporządkowany ruch nośników prądu elektrycznego w półprzewodnikach (elektronów, dziur elektronowych) pod wpływem pochłoniętej energii słonecznej prowadzi do powstania różnicy potencjałów elektrycznych i wytworzenia stałego prądu elektrycznego. Pozyskany prąd stały przekształcany jest następnie w prąd zmienny przy pomocy falownika (inwertera słonecznego) i w tej postaci wykorzystywany jest do zasilania instalacji i urządzeń użytkowych, lamp ulicznych i ogrodowych, sygnalizacji świetlnej, urządzeń pomiarowych (np. fotodetektorów, czujników fotoelektrycznych) i środków transportu (samochodów, jachtów).

Zjawisko fotowoltaiczne (efekt fotowoltaiczny)

Fotowoltaika (PV, ang. photovoltaics) jest procesem polegającym na bezpośrednim przetwarzaniu (konwersji) energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną za pomocą ogniw fotowoltaicznych (ogniw słonecznych, fotoogniw) zbudowanych z materiału półprzewodnikowego (np. krzemu krystalicznego) z wykorzystaniem zachodzącego w jego wnętrzu zjawiska (efektu) fotowoltaicznego. Zjawisko to występuje na złączu p-n, czyli styku dwóch półprzewodników o różnym typie przewodnictwa – półprzewodnika wykazującego przewodnictwo elektronowe (tzw. półprzewodnika typu n), w którym nośnikami ładunku są ujemnie naładowane elektrony, i półprzewodnika wykazującego przewodnictwo dziurowe (tzw. półprzewodnika typu p), w którym nośnikami ładunku są dodatnio naładowane dziury.

Zjawisko fotowoltaiczne polega na generowaniu siły elektromotorycznej, czyli czynnika wywołującego przepływ prądu elektrycznego, pod wpływem cząstek światła (fotonów) padających na półprzewodnikowe złącze p-n w ogniwie fotowoltaicznym:

  • energia promieniowania słonecznego docierająca do ogniwa wraz ze strumieniem fotonów pochłaniana jest przez elektrony obecne na ostatniej powłoce elektronowej atomów półprzewodnika (tzw. elektronów walencyjnych), czego skutkiem jest ich przejście z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa;
  • wzbudzenie elektronów walencyjnych powoduje powstanie nowych nośników ładunku elektrycznego – elektronów o ładunku ujemnym w pasmie przewodnictwa oraz dziur elektronowych o ładunku dodatnim w pasmie walencyjnym;
  • rozdzielenie nośników ładunku elektrycznego w złączu p-n powoduje powstanie zewnętrznego pola elektrycznego, pod którego wpływem elektrony dyfundują do półprzewodnika typu n (np. kryształu krzemu domieszkowanego atomem fosforu) natomiast dziury elektronowe do półprzewodnika typu p (np. krystalicznego krzemu domieszkowanego atomem boru);
  • uporządkowany ruch nośników ładunku elektrycznego w przeciwnych kierunkach prowadzi do powstania różnicy potencjałów na złączu p-n (napięcia elektrycznego), czego skutkiem jest wytworzenie stałego prądu elektrycznego.

Zjawisko fotowoltaiczne zostało odkryte przez francuskiego fizyka Alexandre-Edmonda Becquerela w 1839 r. podczas naświetlania ogniwa elektrochemicznego zbudowanego z dwóch elektrod platynowych zanurzonych w roztworze elektrolitu. Pierwsza obserwacja zjawiska na granicy dwóch ciał stałych wykonanych z selenu została przeprowadzona przez angielskich fizyków Williama Gryllsa Adamsa i Richarda Evansa Daya w 1877 r.

Zjawisko fotowoltaiczne. Źródło: Shutterstock

Ogniwa fotowoltaiczne

Ogniwa fotowoltaiczne (ogniwa słoneczne, fotoogniwa) są elementami półprzewodnikowymi zbudowanymi z dwóch warstw półprzewodnika – warstwy półprzewodnika typu n (o ładunku ujemnym) i warstwy półprzewodnika typu p (o ładunku dodatnim), stykających się ze sobą za pośrednictwem obojętnego elektrycznie złącza p-n. Podstawę ich działania stanowi zjawisko fotowoltaiczne polegające na konwersji promieniowania słonecznego w energię elektryczną. Powierzchnia ogniw pokryta jest powłoką przeciwodblaskową (antyrefleksyjną) składającą się z tlenku krzemu, tantalu lub tytanu, skutecznie zatrzymującą docierające do nich światło.


Ogniwa fotowoltaiczne, w zależności od budowy, dzieli się na trzy główne rodzaje:

  • ogniwa I generacji (ogniwa grubowarstwowe) – ogniwa wytwarzane z krzemu krystalicznego, posiadające złącze półprzewodnikowe p-n; zróżnicowane na ogniwa monokrystaliczne (zbudowane z pojedynczego kryształu krzemu o uporządkowanej strukturze wewnętrznej) i ogniwa polikrystaliczne (zbudowane z płytek krzemowych o nieregularnej strukturze wewnętrznej);
  • ogniwa II generacji (ogniwa cienkowarstwowe) – ogniwa wytwarzane z krzemu amorficznego (bezpostaciowego), tellurku kadmu (CdTe) lub mieszaniny miedzi, indu, galu i selenu (CIGS), posiadające złącze półprzewodnikowe p-n; cechują się bardzo cienką warstwą półprzewodnika pochłaniającą światło słoneczne (1-3 μm);
  • ogniwa III generacji – ogniwa wytwarzane z organicznych związków chemicznych, nie posiadające złącza półprzewodnikowego p-n; zróżnicowane na ogniwa barwnikowe (DSCC, ang. dye-sensitized solar cell) zawierające cząsteczki barwników absorbujące światło słoneczne i ogniwa organiczne (OPV, ang. organic photovoltaics) zawierające polimery zdolne do pochłaniania promieniowania słonecznego.

Sprawność ogniwa fotowoltaicznego, czyli efektywność przetwarzania energii słonecznej w energię elektryczną, zależy głownie od rodzaju zastosowanego materiału przewodnikowego oraz natężenia promieniowania elektromagnetycznego docierającego do ich powierzchni ze Słońca. Najwyższą sprawnością cechują się ogniwa monokrystaliczne (17-20%); nieco niższą sprawność osiągają ogniwa polikrystaliczne (15-18%) i cienkowarstwowe (7-15%) natomiast najmniej efektywne w wytwarzaniu energii elektrycznej są ogniwa III generacji (do 7-8%).

Budowa panelu fotowoltaicznego. Źródło: Shutterstock

Instalacja fotowoltaiczna

Ogniwo fotowoltaiczne zbudowane z krzemu krystalicznego, pod wpływem zachodzącego w jego wnętrzu zjawiska fotowoltaicznego, wytwarza prąd elektryczny o napięciu wynoszącym ok. 0,5 V i osiąga moc o wartości wynoszącej ok. 1-2 W. W celu wytworzenia większej ilości energii elektrycznej pojedyncze ogniwa łączy się ze sobą w większe zestawy zwane modułami fotowoltaicznymi. Połączone zestawy modułów fotowoltaicznych współtworzą natomiast panele fotowoltaiczne stanowiące podstawowy element każdej instalacji fotowoltaicznej.


Elementy składowe panelu fotowoltaicznego obejmują:

  • moduły fotowoltaiczne – układy połączonych szeregowo lub równolegle ogniw fotowoltaicznych odpowiedzialnych za proces wytwarzania energii elektrycznej z energii promieniowania słonecznego;
  • materiał laminujący – folię EVA zbudowaną z kopolimerów etylenu i octanu winylu, odpowiedzialną za bezpośrednią ochronę ogniw fotowoltaicznych przed działaniem czynników zewnętrznych;
  • powłokę ochronną – odpowiedzialną za ochronę modułów fotowoltaicznych przed uszkodzeniami mechanicznymi oraz niekorzystnymi warunkami atmosferycznymi, składającą się m.in. z ramy aluminiowej, szkła hartowanego i folii elektroizolacyjnej;
  • puszkę przełączeniową – zawierającą wtyczki umożliwiające łączenie modułów fotowoltaicznych i diody bocznikujące odpowiedzialne za ochronę paneli przed przegrzaniem bądź spadkiem produkcji energii elektrycznej w przypadku zacienienia.

Efektywność instalacji fotowoltaicznej, czyli stosunek wyprodukowanej energii elektrycznej do ilości promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię paneli fotowoltaicznych, zależy od kilku głównych czynników:

  • rodzaju i struktury krystalicznej materiału półprzewodnikowego, z którego wykonano ogniwa fotowoltaiczne (np. krzemu krystalicznego, tellurku kadmu, polimerów);
  • właściwości zastosowanych powłok przeciwodblaskowych (antyrefleksyjnych) pokrywających warstwę szkła hartowanego (np. tlenku krzemu, tlenku tytanu);
  • rodzaju i sposobu połączenia ogniw fotowoltaicznych w modułach fotowoltaicznych  (np. połączenia szeregowego lub połączenia równoległego);
  • ekspozycji paneli fotowoltaicznych na promieniowanie słoneczne, czyli optymalnego nasłonecznienia (np. lokalizacji na dachu budynków lub na poziomie gruntu
  • warunków atmosferycznych (np. natężenia promieniowania słonecznego, temperatury, prędkości wiatru, wilgotności powietrza).

Prąd elektryczny wytwarzany w modułach fotowoltaicznych pod wpływem promieniowania słonecznego jest prądem stałym (DC), w związku z czym jego zastosowanie do zasilania instalacji i urządzeń użytkowych możliwe jest po przekształceniu w prąd zmienny (AC). Proces ten odbywa się w urządzeniach zwanych falownikami (inwerterami słonecznymi).

Instalacja fotowoltaiczna. Źródło: Shutterstock

Zastosowania fotowoltaiki

Ogniwa fotowoltaiczne, stanowiące podstawę fotowoltaiki, umożliwiają pozyskiwanie energii elektrycznej z pełni odnawialnego i niewyczerpalnego źródła energii, czyli energii słonecznej. Elektrownie słoneczne (tzw. farmy fotowoltaiczne) stanowią więc ekologiczną alternatywę dla konwencjonalnych metod produkcji prądu elektrycznego (np. elektrowni węglowych). Prąd elektryczny wytwarzany w ogniwach fotowoltaicznych (np. ogniwach krzemowych) wykorzystywany jest głównie do zasilania instalacji (np. instalacji grzewczej) i elektronicznych urządzeń użytkowych (np. kalkulatorów, zegarków), urządzeń pomiarowych (np. czujników fotoelektrycznych, fotodetektorów), lamp ulicznych i ogrodowych, sygnalizacji świetlnej, oświetlenia znaków i tablic drogowych, parkometrów, fotoradarów, stacji przekaźnikowych położonych z dala od sieci elektroenergetycznej bądź środków transportu (np. samochodów z napędem hybrydowym, jachtów żaglowych, łodzi motorowych). Ogniwa fotowoltaiczne wykorzystywane są również jako niezawodne systemy zasilania urządzeń elektronicznych statków i sond kosmicznych, stacji orbitalnych, satelitów komunikacyjnych i pogodowych.

Farma fotowoltaiczna. Źródło: DROPERDER/Shutterstock
Indeks nazw
Szukaj lub wybierz według alfabetu
A B C D E F G H I J K L Ł M N O P Q R S Ś T U V W X Y Z Ź Ż
Organizacje ekologiczne
Liga Ochrony Przyrody
Znaki ekologiczne
Znak Aluminium
Znak Aluminium
4.9/5 - (7 votes)
Default Banner Post Banner
Subscribe
Powiadom o
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments