Ogniwo słoneczne

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
Panele słoneczne zasilające latarnię uliczną
Panele słoneczne złożone z baterii ogniw
Wyposażony w ogniwa słoneczne Bydgoski Tramwaj Wodny "Słonecznik"
Ogniwo słoneczne
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. 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 i niezawodne źródła energii 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, 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 2013
Moc elektrowni
słonecznych (MW)
1 455 1 779 2 248 2 839 3 989 5 426 7 013 9 571 15 900 23 042 39 777 67 350 100 115 136 700
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% 35,0%

Gwałtowny wzrost inwestycji w instalacje fotowoltaiczne oraz spadek ich cen doprowadził do ograniczenia wsparcia w formie taryf gwarantowanych w krajach takich jak Niemcy czy Austria. Mimo obniżenia wsparcia rynek energii ze źródeł odnawialnych w tamtych krajach nadal dynamicznie rośnie[4]. Szacuje się, że trend ten dopiero wejdzie do Polski. Od 14 września 2013 r. obowiązuje bowiem nowelizacja ustawy prawo energetyczne, która umożliwia podłączenie systemu fotowoltaicznego (zdefiniowanego w ustawie jako „mikroinstalacja” o mocy do 40 kW) do sieci elektrycznej bez uzyskiwania zezwoleń[5].

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.

Ogniwa I generacji (grubowarstwowe)[edytuj | edytuj kod]

monokrystaliczne - najwydajniejszy rodzaj ogniw fotowoltaicznych. Wytwarzane z monokryształu krzemu, charakteryzują się wysoką sprawnością i długą żywotnością. Ze względu na czasochłonny proces produkcji, ogniwa monokrystaliczne są najdroższym rodzajem ogniw. Mają charakterystyczny, czarny kolor[6].

polikrystaliczne - tańsze w produkcji i mniej wydajne niż ogniwa monokrystaliczne. Wytwarzane z płytek krzemowych, których struktura krystaliczna jest nieregularna. Ich sprawność oscyluje pomiędzy 15-18%. Mają niebieski kolor i widoczną strukturę kryształów krzemu, która przypomina szron[6].

Ogniwa II generacji (cienkowarstwowe)[edytuj | edytuj kod]

Ogniwa drugiej generacji wykonywane są z takich materiałów jak tellurek kadmu, krzemu amorficznego, czy też mieszanki miedzi, indu, galu i selenu. Ze względu na bardzo cienką warstwę (od 0,001 do 0,08 mm) ogniwa tej generacji są znacznie tańsze niż ogniwa z krystalicznego krzemu. Półprzewodniki w tych ogniwach nakłada się za pomocą naparowywania, napylania oraz epitaksji. Ogniwa II generacji mogą być bardzo elastyczne, dzięki czemu można je wykorzystywać jako elementy budowlane[6].

Ogniwa III generacji (w trakcie badań)[edytuj | edytuj kod]

Bazują na bardzo różnych technologiach i nie są oparte o złącza póprzewodnikowe p-n. Tego typu ogniwa nie są jeszcze skomercjalizowane i mają charakter nowatorski. Ze względu na to, że ogniwa te są w trakcie badań, charakteryzują się jeszcze niską sprawnością i żywotnością. Największą zaletą ogniw III generacji jest niezwykle niski koszt produkcji oraz nietoksyczność. Można wymienić takie ogniwa jak:

  • barwnikowe (w trakcie badań)
  • polimerowe (III generacja, w trakcie badań)[7]

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  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 2013 (ang.). European Photovoltaic Industry Association, marzec 2014. [dostęp 2015-01-08].
  4. Dariusz Szwed: Zaczęła się globalna era energii odnawialnej
  5. Internetowy System Aktów Prawnych: Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. - Prawo energetyczne.
  6. a b c Ogniwo fotowoltaiczne - budowa, rodzaje i specyfikacja, Fotowoltaika, panele słoneczne - montaż, instalacje | Poznań, Koszalin, 5 czerwca 2019 [dostęp 2019-07-29] (pol.).
  7. Włodzimierz Kotowski: Trzecia generacja baterii słonecznych. [dostęp 2010-11-20].

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]