panele fotowoltaiczne
Panele fotowoltaiczne – to urządzenia zmieniające energię słoneczną w energię elektryczną. Wydajność paneli fotowoltaicznych zależna jest od intensywności padania na nie światła słonecznego. Poszczególne ogniwa słoneczne są często elektrycznymi elementami składowymi modułów fotowoltaicznych, zwanych potocznie panelami słonecznymi.
Konwencjonalne krystaliczne panele fotowoltaiczne wykonane są z krzemu, natomiast styki elektryczne wykonane są z metalowych szyn zbiorczych, które nadrukowane są na płytce silikonowej (podstawa wykonana jest z tworzyw sztucznych). Z zewnątrz (przód skierowany ku słońcu) panele okryte są szybą hartowanego szkła.
Produkcja paneli fotowoltaicznych
Do produkcji paneli fotowoltaicznych wykorzystuje się niektóre z technik przetwarzania i produkcji, które mają zastosowanie przy produkcji innych urządzeń półprzewodnikowych. Choć wymagania dotyczące czystości i kontroli jakości produkcji półprzewodników są w tym przypadku łagodniejsze co pozwala znacząco obniżyć koszty produkcji.
Elementy z krzemu polikrystalicznego są wytwarzane metodą cięcia blokowego wlewków krzemowych z odlewu linowego o wielkości 180 do 350 mikrometrów. Dyfuzja powierzchniowa domieszek innego typu jest wykonywana na przedniej stronie tego elementu. Dzięki temu powstaje połączenie tej części wynoszącej kilkaset nanometrów.
Kolejnym etapem jest zwykle nakładanie powłoki przeciwodblaskowej o grubości kilkuset nanometrów w celu zwiększenia ilości światła wpadającego do ogniwa słonecznego. Powłoki przeciwodblaskowe znacząco zwiększają ilość światła docierającego do paneli fotowoltaicznych. Pierwotnie preferowany dwutlenek tytanu jest obecnie zastępowany przez azotek krzemu przy dalszej produkcji. Zapobiega to niekorzystnym zjawiskom na powierzchni paneli.
W pierwszym amerykańskim patencie wykonywano na przedniej powierzchni nadruk metalowy dla elektrod co wraz z postępem technicznym doprowadziło do nadruku na tylnej stronie ogniw. Zwykle ten aluminiowy obecnie styk obejmuje cały tył, chociaż niektóre projekty wykorzystują wzór siatki. Wykorzystywana na tym etapie pasta jest następnie wypalana w temperaturze kilkuset stopni Celsjusza w celu uformowania metalowych elektrod. Niektóre firmy stosują dodatkowy etap galwanizacji w celu zwiększenia wydajności. Po wykonaniu metalowych styków ogniwa słoneczne są łączone ze sobą za pomocą płaskich drutów lub metalowych taśm i składane w moduły paneli fotowoltaicznych. Panele te ostatecznie wyposażone są z przodu w taflę hartowanego szkła i polimerową obudowę z tyłu.
Zasada działania paneli fotowoltaicznych
Najbardziej znane ogniwo słoneczne jest skonfigurowane jako złącze p – n o dużej powierzchni wykonane z krzemu. Inne możliwe typy ogniw słonecznych to organiczne ogniwa słoneczne, ogniwa słoneczne z barwnikiem czy ogniwa słoneczne perowskitowe.
Oświetlona strona ogniwa słonecznego ma zazwyczaj przezroczystą warstwę przewodzącą, która umożliwia przenikanie światła do materiału aktywnego i zbieranie generowanej energii elektrycznej. Zwykle do tego celu stosuje się folie o wysokiej przepuszczalności i wysokiej przewodności elektrycznej, takie jak tlenek indu i cyny, polimery przewodzące lub przewodzące sieci nanoprzewodowe.
W przeciwieństwie do kolektorów słonecznych dostarczających ciepło poprzez pochłanianie światła słonecznego w celu bezpośredniego ogrzewania lub pośredniego wytwarzania energii elektrycznej z ciepła, panele fotowoltaiczne służą do wytwarzania energii elektrycznej. Dzieje się to za sprawą bezpośredniego rozdzielania wody na wodór i tlen. Przy czym działanie ogniw fotowoltaicznych wymaga trzech podstawowych cech, takich jak:
- absorpcja światła, generująca pary elektronów
- oddzielenie nośników ładunku przeciwnych typów;
- oddzielne wyprowadzenie tych nośników do obwodu zewnętrznego.
Rodzaje paneli fotowoltaicznych
Wyróżnia się trzy rodzaje ogniw fotowoltaicznych stosowanych w panelach fotowoltaicznych, czyli panele fotowoltaiczne wykorzystujące ogniwa I generacji (grubowarstwowe), panele fotowoltaiczne wykorzystujące ogniwa II generacji (cienkowarstwowe), oraz będące w fazie badań panele fotowoltaiczne wykorzystujące ogniwa III generacji.
Panele fotowoltaiczne wykorzystujące ogniwa I generacji to przede panele monokrystaliczne (o charakterystycznym czarnym kolorze) stosujące najwydajniejszy rodzaj ogniw fotowoltaicznych. Wytwarzane są one z monokryształu krzemu i charakteryzują się wysoką sprawnością jak również długą żywotnością. Jednak są też najdroższe w produkcji. Tańsze i zarazem mniej wydajne, panele fotowoltaiczne o ogniwach polikrystalicznych wytwarzane są z płytek krzemowych o nieregularnej strukturze krystalicznej. Posiadają charakterystyczny niebieski kolor oraz strukturę przypominającą szron.
Panele fotowoltaiczne wykorzystujące ogniwa II generacji wykonywane są z tellurku kadmu, krzemu amorficznego oraz mieszanki miedzi, galu, indu i selenu. Specyficzna cienka warstwa (od 0,001 do 0,08 mm) tych ogniw przekłada się na ich niższą cenę w porównaniu do ogniw z krystalicznego krzemu. W tego rodzaju ogniwach półprzewodniki nakłada się za pomocą m.in. napylania czy naparowywania. Panele te mogą być w różnym stopniu elastyczne, dzięki czemu mogą być wykorzystywane jako elementy budowlane lub w innych zastosowaniach użytkowych.
Panele fotowoltaiczne wykorzystujące ogniwa III generacji (polimerowe i barwnikowe) powstają za pomocą różnych technologii i nie są oparte na podstawowych złączach półprzewodnikowych stosowanych w ogniwach I i II generacji. Chociaż zaletą ogniw III generacji jest niezwykle niski koszt produkcji oraz nietoksyczność, to dotychczas wykazują niską sprawność i żywotność.
Zastosowania paneli fotowoltaicznych
Panele fotowoltaiczne jako trwałe i niezawodne źródła energii elektycznej stosowane są powszechnie w elektrowniach słonecznych, automatyce przemysłowej i pomiarowej, ale także w kalkulatorach, zegarkach, znakach drogowych, sygnalizacji świetlnej, sztucznych satelitach czy do doładowywania akumulatorów (i tym samym wykorzystywania ich w nocy).
Znalazły one zastosowanie także w automatyce (jako czujniki fotoelektryczne i fotodetektory w fotometrii), do zasilania układów telemetrycznych (w stacjach pomiarowo-rozliczeniowych energii elektrycznej, ropy naftowej oraz gazu ziemnego) i do zasilania sztucznych satelitów Ziemi, elektroniki sond, promów kosmicznych i stacji orbitalnych (przede wszystkim dlatego, że w przestrzeni kosmicznej promieniowanie słoneczne jest silniejsze).
