Budowa panelu fotowoltaicznego – rodzaje ogniw, poszczególne elementy i ich działanie

Budowa panelu fotowoltaicznego – rodzaje ogniw, poszczególne elementy i ich działanie

Ogniwa fotowoltaiczne odpowiadają za przemianę energii słonecznej w energię elektryczną w wyniku zjawiska fotowoltaicznego. Dowiedz się, jak jest zbudowane fotoogniwo i jaka jest zasada jego działania.

Z czego składa się ogniwo fotowoltaiczne?

Ogniwo fotowoltaiczne (fotoogniwo, ogniwo słoneczne) to podstawowy element paneli fotowoltaicznych. Zbudowane jest z półprzewodnika, który ma możliwość zmiany swoich właściwości przewodzenia prądu elektrycznego pod wpływem promieni słonecznych. Dlatego do produkcji najczęściej stosowanych w instalacjach paneli fotowoltaicznych wykorzystuje się krzem, german i selen. Najefektywniejszy, w związku z czym najczęściej wykorzystywany, jest jednak ten pierwszy. Wynika to m.in. z doświadczenia z tym materiałem, dopracowania procesu wytwarzania dużych monokryształów krzemowych, z których wytwarza się wafle krzemowe. Jeśli chodzi o samą sprawność ogniw to istnieją technologie z większą sprawnością niż krzemowe, np. ogniwa oparte o Arsenek Galu – które jednak ze względów ekonomicznych nie są praktycznie wykorzystywane w instalacjach fotowoltaicznych.

Fotoogniwo krzemowe zbudowane jest z dwóch warstw półprzewodnika – krzemu typu n (taki gdzie elektrony są głównym nośnikiem ładunku) i krzemu typu p (ładunkiem większościowym są „dziury”). Bezpośrednie połączenie warstw krzemu typu p i typu n powoduje, że z obu obszarów nośniki większościowe (elektrony dla n oraz dziury dla p) dyfundują do przeciwnego i tak powstaje strefa zubożona (inaczej strefa zaporowa). W takim obszarze powstaje różnica potencjału pomiędzy obszarem typu p i typu n reprezentowana przez barierę potencjałów. Nad krzemem typu n umieszczona jest elektroda zbierająca (ujemna) w postaci siatki oraz powłoka antyrefleksyjna. Natomiast pod krzemem typu p znajduje się elektroda przenosząca (dodatnia) w postaci metalowej płytki.

Najprościej mówiąc, ogniwo fotowoltaiczne składa się z górnej warstwy absorbującej światło wraz z elektrodą – płytki wykonanej z krystalicznego krzemu – oraz dolnej warstwy metalizowanej, która jest drugą elektrodą.

Ogniwa fotowoltaiczne z warstwą PERC

Ogniwo fotowoltaiczne z warstwą PERC od standardowego różni się budową, a co za tym idzie – wydajnością. Wynika to z faktu, że klasyczne fotoogniwa absorbują promienie słoneczne w ograniczonym zakresie i w ograniczonych długościach fali elektromagnetycznej.

Fotoogniwo PERC ma dodatkową warstwę dielektryka, czyli izolatora elektrycznego, który działa na zasadzie reflektora mocy. Jest to po prostu warstwa izolatora, która ma ograniczyć przyciąganie elektronów do aluminiowej elektrody dolnej. Dodatkowo jak wskazuje nazwa Passive Emitter Rear Cell – ogniwo ze spodnią pasywacją emitera: spodnia pasywacja złącza powoduje odbijanie promieni słonecznych z powrotem do wnętrza ogniwa dzięki czemu mają dodatkową szansę na wytworzenie energii.

W praktyce oznacza to, że panele fotowoltaiczne PERC są wydajniejsze przez cały dzień, nawet wcześnie rano, wieczorem oraz podczas zachmurzenia. Światło słoneczne jest efektywnie absorbowane i zamieniane na energię elektryczną.

Ogniwa fotowoltaiczne half cut cell

Tradycyjne ogniwa fotowoltaiczne mają wymiary 156×156 mm (w standardzie M1, choć na rynku coraz częściej pojawiają się ogniwa o większych wymiarach). Te w technologii half cut cell – 156×78 mm, a to sprawia, że na tej samej powierzchni panelu mieści się podwojona liczba ogniw „przeciętych” na pół. Standardowy moduł składa się z 72 ogniw, a half cut cell ze 144. Dzięki podzieleniu ogniwa na pół zmniejszają opór elektryczny wewnętrzny, zapewniając wyższą moc wyjściową, większą wydajność oraz niezawodność. Ogniwa half cut nie nagrzewają się też tak jak standardowe, przez co ich żywotność jest wydłużona.

Co ważne, dodatkowo moduły te zostały podzielone na dwie części (panele duo). Dzięki temu zniwelowany został częsty problem częściowego zacienienia panelu.

Ogniwo fotowoltaiczne – co dzieje się w środku?

Specjalna budowa ogniwa fotowoltaicznego i właściwości jego elementów sprawiają, że wewnątrz zachodzi zjawisko fizyczne – efekt fotoelektryczny wewnętrzny. Zjawisko fotowoltaiczne powoduje, że energia słoneczna zamienia się w prąd stały.

Promieniowanie słoneczne padające na ogniwa fotowoltaiczne to strumień fotonów. Te zderzając się z elektronami, przekazują im energię. Absorpcja fotonu powoduje powstanie pary elektron dziura. Pole złącza przenosi każdy z tych ładunków do przeciwnych obszarów: elektron do obszaru typu n, dziura do obszaru półprzewodnika typu p. To rozdzielenie pary ładunków powoduje powstanie różnicy potencjałów, która polaryzuje złącze w kierunku przewodzenia – nośniki przedostają się do sąsiedniego obszaru a ten ruch nośników to właśnie powstały prąd elektryczny. Najogólniej mówiąc, powstaje prąd, który jest właśnie ruchem elektronów.

Wskutek efektu fotowoltaicznego powstaje prąd stały, który jest następie zamieniany na prąd przemienny za pomocą inwertera (falownika) lub mikroinwertera.

Ogniwa fotowoltaiczne – rodzaje

Ogniwa fotowoltaiczne różnią się budową i właściwościami, dlatego podzielono je na generacje. Do pierwszej generacji zaliczamy ogniwa wytwarzane z mono lub polikrystalicznego krzemu, natomiast do drugiej fotoogniwa produkowane z materiałów półprzewodnikowych w postaci cieniutkiej warwy najczęściej innego materiału niż krzem, np. tellurek kadmu CdTe. W trakcie badań naukowych jest również trzecia generacja – m.in. ogniwa barwnikowe i polimerowe .

Najpopularniejsze ogniwa na rynku fotowoltaiki to ogniwa polikrystaliczne i monokrystaliczne wykonane z krzemu. Główna różnica między nimi to metoda wytwarzania krzemu do produkcji ogniw. Z zastosowanego procesu wynika też inna wydajność, wygląd i cena.

Ogniwa fotowoltaiczne polikrystaliczne są tańsze, ale osiągają wydajność na poziomie 14-16%. Mają niebieski kolor, kwadratowy kształt i często widoczne wyraźne krawędzie kryształów krzemu. Zbudowane z nich panele tworzą jednorodną płytę. Ogniwa polikrystaliczne to dobry wybór dla osób, które dysponują dużą powierzchnią dachu.

Cena ogniw fotowoltaicznych monokrystalicznych jest trochę wyższa, jednak mają one zdecydowanie wyższą wydajność (16-20%). Ogniwa monokrystaliczne mają czarny kolor i ścięte, zaokrąglone rogi. Wynika to z faktu, że wycina się je z walca. Dlatego zbudowane z nich panele mają jakby kropki na czarnym tle. W rzeczywistości to puste przestrzenie, przez które widać spodnią warstwę modułu. Ogniwa monokrystaliczne to najlepszy wybór dla osób, które dysponują małą powierzchnią dachu, ponieważ są bardziej wydaje.

Ogniwa fotowoltaiczne amorficzne buduje się z amorficznego kryształu krzemu. Mają najmniejszą sprawność, w przedziale 6-8%, ale są także najtańsze. Ogniwa amorficzne są matowe i mają bordowy kolor.

Ogniwa fotowoltaiczne w ofercie Stilo Energy

Stilo Energy to firma stosująca jedne z najlepszych rozwiązań technologicznych na rynku fotowoltaiki. W instalacjach wykorzystują panele monokrystaliczne Full Black w technologii half cut cell, które mają moc na poziomie 385-400 Wp. Gwarantuje to większe uzyski na obszar powierzchni i optymalny uzysk niezależnie od pogody. Dodatkowo panele charakteryzują się wysokimi walorami estetycznymi – cały moduł ma głęboki, ciemny kolor (Full Black). Wpływa to także na większą wydajność. Panele składają się z dwóch części. Dzięki temu przy częściowym zacienieniu modułu, wyłącza się on tylko w tej części, a spadek mocy wynosi jedynie kilkanaście punktów procentowych.

Najnowsze technologie stosowane przez Stilo Energy sprawiają, że instalacje fotowoltaiczne mają dużo większą wydajność niż standardowe systemy. Dzięki temu nawet za pomocą niewielkiej liczby paneli można wygenerować odpowiednio duże zapotrzebowanie na energię. Warto zaznaczyć, że wszystkie moduły obejmuje 25-letnia gwarancja na efektywność produkcji .

Źródła:
https://ekofachowcy.pl/fotowoltaika/faq/zasada-dzialania-instalacji-fotowoltaicznej/jak-dzialaja-panele-fotowoltaiczne
https://stiloenergy.pl/budowa-ogniwa-fotowoltaicznego-i-zasada-dzialania/
https://stiloenergy.pl/wysokiej-klasy-moduly-fotowoltaiczne/
https://pl.wikipedia.org/wiki/Ogniwo_s%C5%82oneczne
https://www.electronics-tutorials.ws/pl/dioda/podstawy-polprzewodnikow.html
https://www.gosolar.pl/index.php/strefa-wiedzy-menu/content-component/efekt-pv

Zainteresował Cię temat fotowoltaiki? Masz pytania?
Zostaw swoje dane, skontaktujemy się z Tobą.