Ogniwo słoneczne

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Panele słoneczne złożone z baterii ogniw
Wyposażony w ogniwa słoneczne Bydgoski Tramwaj Wodny "Słonecznik"
Ogniwo słoneczne
Moduł baterii
Sprzedaż ogniw słonecznych w Wagadugu, Burkina Faso
Symbol fotoogniwa

Ogniwo słoneczne, ogniwo fotowoltaiczne, ogniwo fotoelektryczne, fotoogniwo – element półprzewodnikowy, w którym następuje przemiana (konwersja) energii promieniowania słonecznego (światła) w energię elektryczną w wyniku zjawiska fotowoltaicznego, czyli poprzez wykorzystanie półprzewodnikowego złącza typu p-n, w którym pod wpływem fotonów o energii większej, niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika, elektrony przemieszczają się do obszaru n, a dziury (zob. nośniki ładunku) do obszaru p. Takie przemieszczenie ładunków elektrycznych powoduje pojawienie się różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego.

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 37 lat później W. Adams i R. Day.

Fotoogniwa słoneczne są produkowane z materiałów półprzewodnikowych, najczęściej z krzemu (Si), germanu (Ge), selenu (Se). Zwykłe ogniwo słoneczne z krystalicznego krzemu ma nominalne napięcie ok. 0,5 wolta. Poprzez połączenie szeregowe ogniw słonecznych można otrzymać baterie słoneczne. Istnieją baterie z różną liczbą ogniw, w zależności od zastosowania, jak i od jakości ogniw.

Zasada działania[edytuj | edytuj kod]

Fotoogniwo jest zbudowane z półprzewodnika i tworzy złącze p-n, na które pada światło. Padające na złącze fotony o energii większej od szerokości przerwy energetycznej półprzewodnika powodują powstanie par elektron-dziura. Pole elektryczne wewnątrz półprzewodnika, związane z obecnością złącza p-n, przesuwa nośniki różnych rodzajów w różne strony. Elektrony trafiają do obszaru n, dziury do obszaru p. Rozdzielenie nośników ładunku w złączu powoduje powstanie na nim zewnętrznego napięcia elektrycznego. Ponieważ rozdzielone nośniki są nośnikami nadmiarowymi (mają nieskończony czas życia), a napięcie na złączu p-n jest stałe, oświetlone złącze działa jako ogniwo elektryczne, czyli takie, w którym źródłem prądu są reakcje chemiczne zachodzące między elektrodą a elektrolitem.

Zastosowania[edytuj | edytuj kod]

Fotoogniwa są stosowane przede wszystkim jako trwałe, o dużej niezawodności, źródła energii elektrycznej w elektrowniach słonecznych, kalkulatorach, zegarkach, plecakach, sztucznych satelitach, samochodach z napędem hybrydowym, a także w automatyce, jako czujniki fotoelektryczne i fotodetektory w fotometrii. Inne zastosowania to:

  • elektronika użytkowa, kalkulatory, lampy ogrodowe, oświetlanie znaków drogowych i wspomaganie sygnalizacji świetlnej;
  • zasilanie elektroniki promów i sond kosmicznych, stacji orbitalnych i sztucznych satelitów ziemi (w przestrzeni kosmicznej promieniowanie słoneczne jest o wiele silniejsze);
  • doładowywanie akumulatorów w dzień i wykorzystywanie energii w nocy na jachtach, kempingach, domach jednorodzinnych;
  • zasilanie układów telemetrycznych w stacjach pomiarowo rozliczeniowych gazu ziemnego, ropy naftowej oraz energii elektrycznej;
  • zasilanie automatyki przemysłowej i pomiarowej;
  • produkcja energii w pierwszych elektrowniach słonecznych.

Najnowsze panele fotowoltaiczne pracują wyłącznie w oparciu o światło dzienne. W przypadku domów i przedsiębiorstw, które decydują się na panele fotowoltaiczne, samodzielnie funkcjonujące rozwiązanie jest bardzo często niewystarczające. Ilość energii potrzebnej do ogrzania budynku oraz gotowania jest znacznie większa niż możliwości paneli fotowoltaicznych i koniecznym staje się uzupełnienie energii z innego źródła, np. energii elektrycznej lub ekologicznego gazu płynnego.

Skala przemysłowa[edytuj | edytuj kod]

 Osobny artykuł: energetyka słoneczna.

Ze względu na wysoką cenę, ogniwa fotowoltaiczne nie były w XX wieku masowo wykorzystywane jako źródło energii. Cena ta jednak stopniowo spadała, a na początku XXI wieku wiele państw zaczęło wprowadzać subwencje na budowę przemysłowych instalacji słonecznych. Wywołało to rozwój fotowoltaiki przemysłowej i dalszy spadek cen ogniw słonecznych. W styczniu 2002 roku średnia cena ogniw wynosiła około 5,5$/wat, w styczniu 2012 roku wynosiła 2,3$/wat[1]. Poniższa tabela przedstawia sumaryczną moc elektrowni słonecznych w kolejnych latach.

Rozwój fotowoltaiki przemysłowej w XXI wieku[2][3]
Rok 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
Moc elektrowni
słonecznych (MW)
1455 1779 2248 2839 3989 5426 7013 9571 15900 23042 39777 67350 100 115
Roczny wzrost 48,7% 22,3% 26,4% 26,3% 40,5% 36,0% 29,3% 36,5% 66,1% 44,9% 72,6% 69,3% 48,6%

Gwałtowny wzrost zainteresowania fotowoltaiką doprowadził jednak do zaprzestania dotacji w krajach takich jak Niemcy czy Austria. Dlatego też rynek pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych w tamtych krajach nieco przystopował. Szacuje się, że trend ten dopiero wejdzie do Polski. Od 14 września obowiązuje bowiem nowelizacja ustawy o prawie elektrycznym, która umożliwia bezproblemowe podłączenie naszego systemu fotowoltaicznego do sieci elektrycznej.

Rodzaje ogniw fotowoltaicznych[edytuj | edytuj kod]

Porównanie efektywności ogniw słonecznych wytwarzanych w różnych technologiach. Obecnie znane są już ogniwa o efektywności powyżej 40%. Masowo produkowane ogniwa osiągają efektywność około 20%. Prowadzi się również badania nad ogniwami polimerowymi i organicznymi, które mimo mniejszej efektywności miałyby korzystniejszy stosunek energii do ceny wytworzenia.
  • selenowe
  • krzemowe
    • monokrystaliczne
    • polikrystaliczne
    • cienkowarstwowe (krzem bezpostaciowy)
  • barwnikowe (w trakcie badań)
  • polimerowe (w trakcie badań)[4]

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]

Przypisy

  1. Solar module pricing (ang.). solarbuzz.com. [dostęp 14 lutego 2012].
  2. BP Statistical World Energy Review 2013 (ang.). BP p.l.c.. [dostęp 2014-12-04]. [zarchiwizowane z tego adresu (2013-12-06)].
  3. EPIA Market Report 2011 (ang.). European Photovoltaic Industry Association, styczeń 2012. [dostęp 2012-02-29].
  4. Włodzimierz Kotowski: Trzecia generacja baterii słonecznych. [dostęp 2010-11-20].