Ogniwa i moduły fotowoltaiczne, zasada działania i budowa

Kursy specjalistyczne

Ogniwa fotowoltaiczne to przyrządy półprzewodnikowe bezpośrednio przetwarzające energię promieniowania słonecznego w energię elektryczną z wykorzystaniem zjawiska fotowoltaicznego.
Zjawisko fotowoltaiczne polega na generowaniu nośników ładunku elektrycznego w wyniku absorbcji promieniowania słonecznego przez przewodnik. Absorbcja promieniowania słonecznego powoduje uwolnienie elektronów z wiązań międzyatomowych, skutkiem czego uwolniony elektron pozostawia, posiadającą ładunek dodatni, dziurę. Po oświetleniu złącza półprzewodnikowego, powstają pary elektron-dziura. Na styku półprzewodników znajduje się warstwa zaporowa dzięki, której następuje gromadzenie się elektronów w obszarze półprzewodnika typu n i dziur w obszarze półprzewodnika typu p, co powoduje powstanie napięcia elektrycznego. Połączenie obu tych półprzewodników w obwód, powoduje przepływ prądu stałego, proporcjonalnego do mocy promieniowania padającego na te ogniwo.
Budowa ogniwa krzemowego, została przedstawiona na poniższym rysunku. Typowe fotoogniwo składa się z wcześniej opisanych dwóch warstw półprzewodnika, pierwszej cienkiej i przeźroczystej górnej warstwy typu n oraz drugiej grubszej warstwy typu p umieszczonej na dole ogniwa, oddzielonych od siebie barierą potencjałów, czyli złączem p-n. Powyżej warstwy n przeważnie umieszczona jest elektroda ujemna oraz jeszcze warstwa antyrefleksyjna, a na spodzie elektroda dodatnia.

Schemat budowy krzemowego ogniwa fotowoltaicznego

Źródło: Solarpraxis AG, Berlin, Germany

Moduł fotowoltaiczny składa się z połączonych szeregowo i/lub równolegle większej ilości ogniw fotowoltaicznych. Pojedyncze ogniwo ma stosunkowo małą powierzchnie i co z tym związane, niewielką moc, dlatego w celu zwiększenia mocy wyjściowej łączy się je właśnie w moduły fotowoltaiczne.
Budowa typowego modułu fotowoltaicznego została zaprezentowana na poniższym rysunku, przeważnie jest on umieszczany w stalowej lub aluminiowej ochronnej ramie, gdzie uszczelnione hermetycznie szyby ochronne chronią kruche ogniwa przed wpływem środowiska i uszkodzeniami mechanicznymi. Zestaw ogniw jest dodatkowo umieszczany pomiędzy warstwami folii PET i EVA w celu zapewnienia hermetycznej ochrony. Ogniwa wewnątrz modułu są układane równolegle lub heksagonalnie, a przewody przyłączeniowe są wyprowadzane na zewnątrz .

Budowa modułu fotowoltaicznego wykonanego z ogniw krzemowych

Źródło: www.caldoris.pl oraz Szymański B. Instalacje fotowoltaiczne, Geosystem, Kraków 2014
Najważniejszymi parametrami opisującymi moduły fotowoltaiczne jest ich sprawność konwersji promieniowania, wyrażana w procentach oraz nominalna moc wyjściowa wyrażana w Wp (Watt peak). Jest to moc wyjściowa uzyskana z danego moduły przy określonych stałych warunkach testowania, nazywanych STC (z ang. Standard Test Conditions), czyli natężeniu promieniowania 1000 W/m2 i temperaturze otoczenia 25ºC [1].
Panel fotowoltaiczny natomiast składa się z wielu modułów połączonych ze sobą szeregowo, aby zwiększyć uzyskiwane napięcie lub równolegle-w celu zwiększenia prądu wyjściowego.

Bibliografia

Oszczak W., Kolektory słoneczne i fotoogniwa w Twoim domu, WKŁ, Warszawa 2012.
Nowak W., Stachel A., Borsukiewicz-Gozdur A., Zastosowania odnawialnych źródeł energii, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Szczecińskiej, Szczecin 2008
Jastrzębska G., Odnawialne źródła energii i pojazdy proekologiczne, Wydawnictwo naukowo-Techniczne, Warszawa 2007.
Szymański B. Instalacje fotowoltaiczne,, Geosystem, Kraków 2014.

Opracował

mgr inż. Maciej Stronka

Akademia Projektanta Instalacji Sanitarnych