Ogniwa fotowoltaiczne, zwane również ogniwami słonecznymi, to urządzenia, które przekształcają energię pochodzącą ze światła bezpośrednio w energię elektryczną. Odbywa się to poprzez efekt fotowoltaiczny, zjawisko fizyczne i chemiczne. Przeczytaj ten artykuł, aby dowiedzieć się więcej o tym przyjaznym dla środowiska urządzeniu i o tym, jak wytwarza ono energię elektryczną – informacja ta jest efektem badania ekspertów serwisu .

Ogniwa fotowoltaiczne to diody o dużej powierzchni wystawionej na działanie promieni słonecznych

Ogniwa fotowoltaiczne wytwarzają energię elektryczną poprzez przekształcenie padającego światła w prąd elektryczny. Mają one dużą powierzchnię i zwykle są pokryte materiałem antyrefleksyjnym. Proces rozpoczyna się, gdy fotony uderzają w powierzchnię półprzewodnika i oddają energię elektronom znajdującym się w obszarze typu P. Elektrony przemieszczają się następnie przez obszar typu P. Elektrony następnie przemieszczają się przez złącze, aby dotrzeć do regionu typu N i przepłynąć wokół obwodu. Diody fotowoltaiczne mają kilka struktur, ale zazwyczaj składają się ze złącza PN i cienkiej warstwy typu P.

Napięcie i prąd wyjściowy ogniwa fotowoltaicznego zależą od ilości promieniowania słonecznego, które uderza w złącze PN, oraz od tego, jaki procent tej energii jest zamieniany na prąd elektryczny. W temperaturze 25oC jedno ogniwo fotowoltaiczne może wytworzyć 0,5 do 0,6 V energii elektrycznej. To napięcie wyjściowe pozostaje stabilne, gdy znajduje się w bezpośrednim świetle słonecznym.

Temperatura ogniwa fotowoltaicznego jest ważnym czynnikiem. Wzrost temperatury zmniejsza napięcie robocze ogniwa i zwiększa ryzyko zwarcia. Temperatura zmniejsza również liczbę generowanych nośników, ponieważ rekombinują one przed dotarciem do obszaru złącza. Wzrost temperatury powoduje również zmniejszenie mocy maksymalnej ogniwa fotowoltaicznego.

Ogniwo fotowoltaiczne można zaprojektować tak, aby było wydajne, minimalizując ryzyko uszkodzenia przez promieniowanie. Układ ogniw słonecznych może być umieszczony na dachu lub w oknie, aby przechwytywać promienie słoneczne. Ogniwa muszą być zorientowane w kierunku słońca.

Napięcie wyjściowe ogniwa fotowoltaicznego wynosi 0,46 V, czyli 460 mV po podłączeniu do zewnętrznego obciążenia. Napięcie to pozostaje stałe w obecności zmiennego oświetlenia i natężenia światła słonecznego. Efekt ten jest spowodowany warstwą metalu na powierzchni ogniwa, która działa jak opornik.

Są to półprzewodnikowe urządzenia elektroniczne

Ogniwa fotowoltaiczne wykorzystują energię słoneczną do produkcji energii elektrycznej. Działają one poprzez przeniesienie energii ze światła na elektrony wewnątrz materiału zwanego półprzewodnikiem. Elektrony te mogą następnie swobodnie poruszać się po materiale, tworząc prąd elektryczny. Ten prąd elektryczny może być następnie wykorzystany do zasilania domów i sieci elektrycznej.

Ogniwa fotowoltaiczne mogą być zbudowane z wielu różnych materiałów. Najczęściej spotykany typ ogniwa PV jest wykonany z półprzewodników. Ogniwo PV składa się z dwóch różnych warstw: warstwy aktywnej i leżącej pod nią warstwy PSS lub TiO2 CL. Bazowe warstwy półprzewodnikowe są wykonane z różnych materiałów.

Produkcja ogniw fotowoltaicznych może stwarzać szereg zagrożeń fizycznych i chemicznych. Do produkcji urządzenia używane są różne niebezpieczne substancje chemiczne. Podczas produkcji ogniw słonecznych z krzemu krystalicznego, chemikalia te mogą powodować oparzenia chemiczne i niebezpieczne opary. Gaz silan (SiH4) jest szczególnie niebezpieczny w przypadku wdychania.

Ogniwa fotowoltaiczne na tekstyliach mają ograniczony promień gięcia. Ogranicza to elastyczność urządzenia i może pogorszyć jego wydajność. Ponadto ogniwa fotowoltaiczne na tekstyliach są często częściowo zacienione, co zmniejsza ich sprawność konwersji mocy. Ponadto przędze fotowoltaiczne w tekstyliach wykorzystują konwencjonalne DSSC z ciekłym elektrolitem, które są podatne na wycieki i korozję. Mają one również problemy z długoterminową stabilnością.

Wytwarzają energię elektryczną

Ogniwa fotowoltaiczne wytwarzają energię elektryczną, wykorzystując energię słoneczną do zasilania małych urządzeń. Składają się one z dwóch warstw krzemu, które mają przeciwne ładunki i są połączone przewodem. Światło słoneczne uderza w krzem, który w naturalny sposób wytwarza energię elektryczną. Urządzenia te są obecnie stosowane tylko do małych urządzeń. Oczekuje się jednak, że w przyszłości technologia ta stanie się bardziej powszechna.

Sposób, w jaki ogniwa fotowoltaiczne wytwarzają energię elektryczną, jest dość prosty. W ciągu dnia światło uderza w ogniwa słoneczne, a absorpcja energii powoduje, że elektrony stają się luźne. Gdy te luźne elektrony przemieszczają się, tworzą prąd elektryczny. Prąd ten jest następnie pobierany przez przewodzące metalowe styki (linie przypominające siatkę na panelu słonecznym). Wyprodukowana energia elektryczna może zasilać domy lub sieć elektryczną.

Energia elektryczna wytwarzana przez ogniwa fotowoltaiczne może być wykorzystana do zasilania urządzeń, takich jak pompa. Wytworzona energia elektryczna to prąd stały (DC), który jest przydatny do ładowania akumulatorów. Jednak większość energii elektrycznej dostarczanej w systemach dystrybucyjnych i przesyłowych to prąd zmienny (AC). W takich sytuacjach do przekształcenia prądu stałego na prąd zmienny stosuje się falownik.

Najbardziej wydajne ogniwa fotowoltaiczne są wykonane z krzemu. Ogniwa monokrystaliczne mają wysoki wskaźnik sprawności, ale są najdroższe. Ogniwa polikrystaliczne są tańsze i zawierają mniejsze kryształy krzemu. Z kolei ogniwa amorficzne są mniej wydajne i powstają przez rozprowadzenie krzemu po alternatywnej substancji.

Średnia ilość nasłonecznienia na metr kwadratowy na Ziemi wynosi od 0,8 do 1,0 kW/m2. Pokrywa chmur, noc i zamglenie zmniejszają ilość insolacji. W Niemczech średnia ilość nasłonecznienia w ciągu roku różni się w zależności od regionu. W obszarach o dobrym klimacie i wydajności energetycznej, zalety energii słonecznej będą widoczne szybciej.

Są przyjazne dla środowiska

Zastosowanie ogniw fotowoltaicznych jest przyjazne dla środowiska i przyczynia się do redukcji emisji dwutlenku węgla. Chociaż to źródło energii wykorzystuje niektóre paliwa kopalne, takie jak węgiel, większość paneli wykorzystuje zasoby odnawialne, takie jak światło słoneczne i wiatr. Emisja dwutlenku węgla z paneli słonecznych jest również niższa niż z paliw kopalnych, takich jak gaz i węgiel. Panele fotowoltaiczne wytwarzają jednak pewne emisje, a rząd musi regulować ich produkcję i użytkowanie, aby zmniejszyć wpływ na środowisko.

W procesie produkcji urządzeń fotowoltaicznych mogą występować toksyczne gazy, żrące ciecze i potencjalnie rakotwórcze związki. Zakres tych skutków będzie zależał od właściwości toksykologicznych tych materiałów, a także od intensywności i czasu narażenia człowieka na ich działanie. Ponadto, składowanie dużych ilości tych modułów może zwiększyć ryzyko dla ludzi. Wypłukiwanie substancji chemicznych z modułów składowanych na wysypiskach mogłoby również zanieczyścić wody gruntowe.

Ogniwa fotowoltaiczne są w dużej mierze wykonane z krzemu, który musi być bardzo czysty, aby był skuteczny. Jednak nowe odkrycia sprawiają, że produkcja krzemu jest czystsza. Norwegia jest jednym z wiodących na świecie producentów krzemu, który jest głównym składnikiem ogniw słonecznych. Produkcja krzemu wymaga jednak dużej ilości energii. W procesie produkcji często wykorzystywany jest węgiel.

Poza tym, że panele słoneczne są przyjazne dla środowiska, zmniejszają emisję dwutlenku węgla. Jednak surowce do produkcji paneli słonecznych muszą być wydobywane. Kwarc, który jest niezbędny do produkcji ogniw PV, nie jest odnawialny, więc musi być wydobywany. Inne surowce używane do produkcji paneli słonecznych to aluminium, miedź i srebro.

Można je szybko zainstalować

Panele fotowoltaiczne może nie są tak powszechne jak kalkulatory zasilane energią słoneczną, ale są tam. Niegdyś stosowane niemal wyłącznie w przestrzeni kosmicznej (w 1958 r. ogniwa fotowoltaiczne były wykorzystywane do zasilania systemów elektrycznych satelitów), obecnie fotowoltaika rozszerzyła się na bardziej codzienne zastosowania. Obecnie można je znaleźć we wszystkim, od okularów przeciwsłonecznych po stacje ładowania samochodów elektrycznych.

Ogniwa fotowoltaiczne są wykonane z krzemu. Krzem posiada czternaście elektronów, które są rozmieszczone w trzech powłokach. Dwie wewnętrzne powłoki są w pełni naładowane, natomiast zewnętrzna jest wypełniona w połowie. Podczas generowania tych elektronów, część z nich rekombinuje przed dotarciem do obszaru złącza, które jest źródłem energii. W związku z tym ogniwa fotowoltaiczne muszą minimalizować straty całkowite.

Aby zainstalować panele słoneczne, właściciele domów muszą najpierw określić, ile energii zużywają ich domy. Na podstawie danych z rachunku za prąd mogą obliczyć, ile modułów fotowoltaicznych potrzebują. Łącząc moduły szeregowo, można kontrolować napięcie w systemie. Właściciel domu może następnie wykorzystać energię wytworzoną przez panele słoneczne do zasilania domu.

Po połączeniu ogniw należy je pokryć warstwą antyrefleksyjną. Ta powłoka zmniejszy straty poszczególnych ogniw. Następnie trzeba je połączyć ze sobą i zamontować w solidnej ramie. Na koniec, aby zakończyć instalację, muszą przymocować szklaną osłonę.

Ogniwa fotowoltaiczne są wykonane ze specjalnych materiałów zwanych półprzewodnikami. Krzem jest zazwyczaj wybierany jako materiał do produkcji ogniw słonecznych. Kiedy światło uderza w półprzewodnik, energia wybija elektrony. Kiedy to się dzieje, produkowana jest elektryczność słoneczna.