Jak działa ogniwo fotowoltaiczne
Ryszard Jesionowski:
Energia elektryczna z fotowoltaiki jest nazywana odnawialną, ponieważ nigdy się nie wyczerpie. To trochę tak, jakby lodówka zawsze była pełna jedzenia.
Poniżej wyjaśniamy jak funkcjonuje ogniwo fotowoltaiczne – podstawowy element modułu fotowoltaicznego.
Budowa ogniwa fotowoltaicznego
Od ponad 150 lat wiadomo, że światło może mieć wpływ na właściwości elektryczne niektórych materiałów. W 1921 r. Albert Einstein otrzymał nagrodę Nobla za pracę związaną z wyjaśnieniem tego zjawiska.
Ogniwa fotowoltaiczne działają w oparciu o podobne zjawisko, nazywane efektem fotowoltaicznym. Ogniwa fotowoltaiczne przekształcają światło bezpośrednio w energię elektryczną.
Ogniwa fotowoltaiczne połączone szeregowo tworzą panel fotowoltaiczny. Z kolei panele fotowoltaiczne połączone z falownikiem oraz elementami pomocniczymi tworzą instalację fotowoltaiczną.
Krzem – fundament ogniwa fotowoltaicznego
Do wyprodukowania ogniwa fotowoltaicznego potrzebny jest specjalny materiał zwany półprzewodnikiem. Z piasku, jednego z najpowszechniej występujących surowców, uzyskuje się krzem – fundament współczesnej elektroniki. Krzem (ang. silicon) stał się tak popularny iż pojawia się w nazwach własnych, np. Dolina Krzemowa (Silicon Valley).
Krzem posiada szczególne właściwości – ma mianowicie cztery elektrony na orbicie zewnętrznej. Oznacza to, iż krzem tworzy doskonałe wiązania atomowe z czterema innymi atomami krzemu. W ten sposób atomy krzemu łączą się z innymi atomami krzemu. Zewnętrzne elektrony krzemu chwytają swoich sąsiadów, tworząc wiązanie, które jest bardzo stabilne.
Wszystkie zewnętrzne elektrony atomu krzemu mają swoje pary, w związku z tym nie mogą się przemieszczać. W takim stanie, gdy elektrony są stabilnie połączone, krzem jest zwykłym materiałem, który jest bardziej izolatorem niż przewodnikiem i elektrycznie raczej mało przydatny. Aby mógł popłynąć prąd, potrzebne są wolne elektrony – przepływ prądu to ruch elektronów. Dlatego do krzemu dodawany jest inny materiał – domieszka.
Materiał typu N
Wprowadzenie niewielkiej ilości innego materiału do krzemu, powoduje zmianę sposobu łączenia elektronów. Fosfor różni się nieznacznie od krzemu – mianowicie posiada pięć elektronów na orbicie zewnętrznej – w porównaniu do czterech elektronów w krzemie. Obecność piątego elektronu powoduje, iż nie ma on pary, z którą mógłby się połączyć. Jest więc niestabilny i może się przemieszczać. Elektrony mają negatywny ładunek, więc gdy do krzemu dodawany jest fosfor, powstaje obszar o ujemnym (negatywnym) potencjale – nazywany jest materiałem typu n (z ang. n-type, n od negatywny).
Materiał typu P
Do krzemu można również dodać inny materiał posiadający trzy zewnętrzne elektrony – nazywa się on bor. To pozostawia jedno z wiązań z tylko jednym elektronem, tworząc „dziurę” w strukturze. Dziura posiada potencjał dodatni. Elektrony w krzemie z dodatkiem boru mogą przemieszczać się, aby wypełnić dziurę. Z drugiej strony, można sobie wyobrazić, że dziury się przemieszczają (w kierunku przeciwnym do elektronów), gdy elektrony przeskakują z jednego wiązania do innego. Ten ruch również tworzy energię elektryczną. Taki materiał, cechujący się deficytem elektronów, nazywany jest materiałem typu p (z ang. p-type, p od pozytywny).
Warstwa przejściowa
Piąty elektron w fosforze jest bardzo luźno związany z atomem – może zostać uwolniony pod wpływem niewielkich zmian w otoczeniu, np. ciepła z otoczenia.
Poprzez domieszkowanie, krzem przekształca się w przewodnik prądu (jednak o słabej przewodności).
Fosfor ma pięć elektronów, a więc o jeden za dużo, bor natomiast ma trzy elektrony, a zatem o jeden za mało, mogą się zatem wymienić. I tak właśnie się dzieje. Nadwyżkowy elektron przemieszcza się od fosforu do boru, nawet pomimo tego, iż nie jest to jego miejsce. Proces odbywa się tak długo, aż wszystkie wolne elektrony zostaną przydzielone do boru. Po zakończeniu procesu mamy warstwę, w której są jedynie atomy boru z czterema elektronami. Tę warstwę nazywamy warstwą przejściową.
W warstwie przejściowej wszystkie atomy mają odpowiednią ilość elektronów. W związku z tym elektrony nie przemieszczają się i pozostają związane z atomami boru. Jednak wraz z elektronami nastąpiło przesunięcie ładunku. Co to oznacza? To oznacza, iż stworzyliśmy biegun elektryczny. Podobnie jak we wtyczce elektrycznej, która również posiada biegun dodatni oraz biegun ujemny.
W górnej warstwie brakuje elektronów, które zabrał bor, więc pojawił się tam biegun dodatni. Natomiast na dole, tam gdzie jest bor znajduje się więcej elektronów niż potrzeba. W ten sposób powstał obszar ujemny.
Tak wygląda ogniwo fotowoltaiczne bez światła słonecznego. Jest to dość mocno uproszczony opis, ale chodzi o poznanie zasady działania ogniwa fotowoltaicznego.
Ogniwo fotowoltaiczne – jak działa
Gdy na ogniwo fotowoltaiczne zaczyna padać światło słoneczne w formie fotonów (nośników energii), powoduje to oderwanie elektronów, które wcześniej połączyły się z atomami boru. Pole elektryczne powoduje z kolei przyciąganie przeciwnych ładunków. Elektron ma ładunek negatywny (minus), więc przemieszcza się w kierunku warstwy dodatniej, wyzwalając przepływ prądu.
Na górnej i dolnej powierzchni ogniwa fotowoltaicznego umieszczone są elementy z materiałów przewodzących, które wyłapują elektrony. Gdy oba metale połączymy kablem, w którym zamontowana będzie żarówka, elektrony w górnej części warstwy dodatniej zostaną przesłane przez ten kabel do żarówki. Tak długo jak świeci słońce, w kablu będą pojawiały się nowe elektrony. Gdy elektrony przemieszczają się w kablu, pojawia się przepływ prądu a żarówka się świeci.
Atom boru w warstwie przejściowej, po oddaniu elektronu pozostaje z dziurą. W dziurę wskakuje elektron z innego atomu boru. Tak długo jak świeci słońce, elektrony mogą przeskakiwać. Energia słońca oderwała je od pierwszego atomu. Poza tym, elektrony są przyciągane przez warstwę dodatnią i wypychane przez warstwę ujemną. W ten sposób przemieszczają się, aż dotrą na górę warstwy dodatniej, skąd przemieszczają się po kablu, aż ponownie dotrą do ogniwa fotowoltaicznego – tym razem w dolnej części, skąd rozpoczynają swoją ponowną wędrówkę ku górze. Ogniwo fotowoltaiczne przestaje działać, gdy słońce przestaje świecić. Wówczas elektrony pozostają tam, gdzie się akurat zatrzymały.
Podsumowanie
- Ogniwo fotowoltaiczne jest najważniejszym elementem modułu fotowoltaicznego – umożliwia przekształcenie promieniowania słonecznego w energię elektryczną.
- Zjawisko fotowoltaiczne odnosi się do procesu, w trakcie którego światło jest zamieniane w prąd.
- Tak długo jak świeci słońce, tak długo ogniwo fotowoltaiczne wytwarza prąd.
Może Cię zainteresować
