Ogniwa fotowoltaiczne
klasyfikujemy ze względu na rodzaj zastosowanego materiału do ich produkcji oraz jego struktury. Ze względu na strukturę wyróżniamy natomiast trzy generacje fotoogniw. Dominującym materiałem służącym do produkcji ogniw jest niezmiennie od lat krzem, ogniwa z niego wyprodukowane stanowiły w 2012 roku 81% globalnego rynku paneli fotowoltaicznych. Ogniwa fotowoltaiczne to przyrządy półprzewodnikowe bezpośrednio przetwarzające energię promieniowania słonecznego w energię elektryczną z wykorzystaniem zjawiska fotowoltaicznego.
Ogniwa krzemowe dzielimy w zależności od struktury użytego materiału na ogniwa:
- ogniwa monokrystaliczne,
- ogniwa polirystaliczne,
- ogniwa amorficzne.
Ogniwa krzemowe monokrystaliczne wykonuje się z oczyszczonego i stopionego piasku krzemowego z dodatkiem boru, z którego wyciąga się monokryształ, formowany następnie na kształt walca i laserowo przycinany w kwadratowe płytki o przyciętych narożnikach i promieniu od kilku do kilkunastu centymetrów. Fotoogniwa monokrystaliczne, ze względu na technologię produkcji są najdroższymi ogniwami krzemowymi, jednak osiągają sprawność w seryjnej produkcji ok. 16 %. Ich udział w światowym rynku wyniósł 33% w 2012 roku.
Materiałem wyjściowym do ogniw polikrystalicznych jest uformowany w piecu w wyniku krystalizacji i topnienia blok krzemu, który przycina się następnie na kwadratowe lub prostokątne płytki. W kolejnych etapach płytki podlegają szlifowaniu oraz nałożeniu elektrod i warstwy antyrefleksyjnej. Ogniwa polikrystaliczne posiadają sprawność około 14%, lecz są tańsze i mniej energochłonne w produkcji w porównaniu do ogniw monokrystalicznych, żywotność tych obu rodzajów ogniw to około 25 lat. Fotoogniwa o strukturze polikrystalicznej osiągnęły w 2012 roku 48% udziału w rynku fotowoltaicznym.
Opisane ogniwa polikrystaliczne i monokrystaliczne mają grubość około 2 mm i należą do I generacji fotoogniw, na wyprodukowanie paneli o mocy 100 Wp w tej technologii zużywa się ok. 1 kg krzemu.
Natomiast ogniwa amorficzne należą do II generacji (nazywanej cienkowartową) ogniw fotowoltaicznych, gdzie grubość półprzewodnika wynosi około kilka mikronów. Produkcja polega na nanoszeniu cienkich warstw krzemu na szkle lub stali nierdzewnej. Proces ten przebiega szybko, przy niskim nakładzie energii i dzięki redukcji zużycia półprzewodników, ogniwa te są stosunkowo tanie. Fotoogniwa cienkowarstwowe posiadają jednak niską sprawność około 5%i przez to zużywa się do ich produkcji znacznie mniej półprzewodnika. Ogniwa wyprodukowane w tej technologii nazywane są często cienkowarstwowymi.
Rodzaj ogniw krzemowych najlepiej rozróżnić po ich kształcie, kolorze i strukturze. Ogniwa wykonane z krzemu monokrystalicznego, ze względu na formowanie w kształt walca, mają przycięte narożniki, posiadają ciemną jednolitą strukturę, ponieważ zostały wykonane z jednego kryształu krzemu. Ogniwa polikrystaliczne posiadają natomiast widoczne kryształy krzemu i ciemno-niebieski kolor. Przy ogniwach amorficznych nie jest widoczna struktura kryształów i mają charakterystyczne bordowy odcień.
Ogniwa krzemowe o różnej strukturze budowy, monokrystalicznej, polikrystalicznej i amorficznej
Ogniwa II generacji wykonuje się także z innych półprzewodników niż krzem, jednym z nich jest arsenek galu o idealnych właściwościach, ze względu na pochłanianie przez nie przeszło 97% użytecznego promieniowania słonecznego. Pozwala to uzyskanie największej sprawności wśród ogniw, wynoszącej aktualnie nawet do 46,6%. Ze względu na koszt zarówno materiału jak i produkcji, są one stosowane w rozwiązaniach komercyjnych np. do zasilania statków kosmicznych, technice wojskowej lub elektrowniach wykorzystujących koncentratory promieniowania słonecznego. Do produkcji ogniw cienkowarstwowych jest stosowany dwuselenek indowo-miedziowy o sprawności nawet do 20%, oraz tellurek kadmu o 10-12%. Sprzedaż ogniw cienkowarstwowych wyniosła w 2012 roku 15%, a ich żywotność to przeważnie 20 lat.
Jeszcze innym rodzajem ogniw słonecznych, zaliczanych do cienkowarstwowych, są ogniwa uczulane barwnikiem, które przekształcają energię słoneczną za pomocą barwnika, analogicznie do fotosyntezy w roślinach. Ich produkcja nie jest kosztowna, odbywa się za pomocą sitodruku, ale sprawność tych ogniw jest niewielka. Dzięki możliwości przepuszczania przez nie części promieniowania słonecznego, po naniesieniu ich na szklane podłoże, mogą pełnić funkcję szyb okiennych lub fasady budynku.
III generacją fotoogniw, są ogniwa wykonane z materiałów organicznych, np. z polimerów, które charakteryzują się działaniem podobnym do półprzewodników w przypadku występowania w cząsteczkach polimerów, naprzemiennie wiązań pojedynczych i podwójnych. Dzięki prostej technologii polegającej na nanoszeniu na podłoże z tworzywa sztucznego warstw polimerowych w formie nadruku możliwa jest produkcja ich na masową skalę. Na chwilę obecną ogniwa polimerowe posiadają sprawność do 12%, jednak są lekkie oraz elastyczne, a ich produkcja nie wymaga dużych nakładów finansowych w efekcie mogą już wkrótce znaleźć powszechne zastosowanie.
Bibliografia
Jastrzębska G., Odnawialne źródła energii i pojazdy proekologiczne, Wydawnictwo naukowo-Techniczne, Warszawa 2007
Nowak W., Stachel A., Borsukiewicz-Gozdur A., Zastosowania odnawialnych źródeł energii, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Szczecińskiej, Szczecin 2008
Szymański B. Instalacje fotowoltaiczne,, Geosystem, Kraków 2014.
Opracował
mgr inż. Maciej Stronka
