Zjawisko fotowoltaiczne – jak wytwarzamy prąd z energii słonecznej?

W poprzednich artykułach opisaliśmy między innymi budowę ogniwa fotowoltaicznego, przedstawiliśmy podstawowe elementy jakie posiada każda instalacja fotowoltaiczna oraz wyjaśniliśmy co to jest fotowoltaika. W tym artykule chcielibyśmy przybliżyć Państwu zjawisko fotowoltaiczne (in. efekt fotowoltaiczny), bez którego wytwarzanie prądu z energii słonecznej nie byłoby możliwe. Co za tym idzie, efekt fotowoltaiczny jest podstawą i pierwszym czynnikiem ery instalacji fotowoltaicznych.

Na czym polega efekt fotowoltaiczny i kiedy został zaobserwowany? Wszystkiego dowiesz się z naszego artykułu. Zapraszamy do lektury!

Energia słoneczna i jej znaczenie

Energia, która dociera do naszej planety ze Słońca jest równa 1367W/m2. Jest to tak zwana “stała słoneczna”. Energia słoneczna, która dociera do powierzchni Ziemi jest jednak mniejsza niż wspomniana “stała”. Jest to spowodowane utratą części energii po przejściu przez atmosferę (odbicie od chmur, rozproszenie, absorpcja itd.). W ten sposób końcowa wartość wynosi około 1000 W/m2. Dodatkowo, wartość ta zależna jest również od pory roku i grubości warstwy atmosfery. Wartość energii słonecznej będzie się więc różnić na różnych szerokościach geograficznych. Szacuje się, że w Polsce największa ilość energii dociera w miesiącach letnich (około 900 W/m2) natomiast najmniej podczas zimy (około 200 W/m2). Zależne jest to naturalnie od ilości światła słonecznego, które jest dostępne w danym okresie roku. Właśnie dzięki tej energii dochodzi do zjawiska fotowoltaicznego.

Zjawisko fotowoltaiczne – pierwsze obserwacje

Odkrycie efektu fotowoltaicznego miało miejsce w 1839 roku. Dokonał go francuski fizyk – Alexandre Edmond Becquerel. Podczas badania ciał stałych, które były zanurzone w elektrolicie, naukowiec zauważył, że naświetlenie jednej z dwóch elektrod wykonanych z tego samego materiału powoduje powstanie napięcia pomiędzy nimi. W tym samym roku, francuski fizyk stworzył pierwszy prototyp ogniwa fotowoltaicznego.

Ogniwo krzemowe

W ciągu kolejnych lat, technologia fotowoltaiczna stopniowo się rozwijała, jednak przełom w tej dziedzinie nastąpił dopiero w roku 1954. Wtedy to wyprodukowano pierwsze ogniwo słoneczne wykonane z krzemu, które generowało odpowiednio dużą ilość energii elektrycznej. Dokonały tego trzy osoby w Bell Labs – Daryl Chapin, Calvin Fuller i Gerald Pearson. Oczywiście urządzenie charakteryzowało się znacznie mniejszą – jedynie 4-procentową – wydajnością niż ogniwa współczesne – . Wiele osób uznaje jednak rok 1954 za przełomowy dla fotowoltaiki. Uzyskano wówczas energię, która zasiliła urządzenie elektryczne na kilka godzin.

Zjawisko fotowoltaiczne – wkład naukowy

Efekt fotowoltaiczny został naukowo wyjaśniony w roku 1905 przez Alberta Einsteina. W swojej pracy uznał, że światło słoneczne posiada falowo-korpuskularny charakter. Oznacza to, że światło należy traktować jako fale rozchodzące się w przestrzeni z pewną częstotliwością, lub jako strumień fotonów (kwantów). Dzięki temu odkryciu, Einstein został laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 1921 roku.

Fotoemisja – element efektu fotowoltaicznego

Każdy kwant niesie ze sobą energię, która wykorzystywana jest właśnie w fotowoltaice. Fotony, które zderzają się z elektronami przekazują im całą swoją energię. Jeżeli wartość niesionej energii elektrycznej jest odpowiednio duża, dochodzi do zjawiska fotoemisji – wybicia elektronów z orbit atomowych. Atomy, które utraciły elektron uzyskują w ten sposób ładunek dodatni (+e). Miejsce, w którym brakuje elektronu nazywamy dziurą (-e). Zjawisko to najszybciej zachodzi w atomach, które posiadają dużą ilość elektronów walencyjnych, poruszających się po orbitach najdalej położonych od jądra. 

Krzem jako półprzewodnik

Krzem jest pierwiastkiem, który na ostatniej powłoce posiada cztery elektrony walencyjne. Właśnie dlatego materiał ten jest najczęściej wykorzystywany w dziedzinie fotowoltaiki. Przewodność krzemu nie jest jednak zbyt wielka, dlatego w fotowoltaice wykorzystuje się krzem modyfikowany – jako półprzewodnik P-N. Złącze p-n dodatkowo złożone jest z innych pierwiastków, które zwiększają różnicę pomiędzy nimi ze względu na ilość elektronów walencyjnych. W ten sposób na skutek różnicy potencjałów wywołane zostaje napięcie elektryczne podczas oświetlenia półprzewodnika światłem słonecznym.

Efekt fotowoltaiczny w praktyce

Pierwszym elementem efektu fotowoltaicznego jest zawsze kontakt światła słonecznego z kryształem krzemu, który posiadają panele słoneczne. Promienie słoneczne należy traktować w tym przypadku jako strumień cząstek elementarnych, czyli fotonów. W krysztale krzemu znajdują się elektrony. Moment styczności elektronów z fotonami jest początkiem efektu fotowoltaicznego. Elektrony krzemu pochłaniają fotony, który w ten sposób przejmuje energię z promieniowania słonecznego. W tym momencie w atomie krzemu powstaje dziura elektronowa.

Zobacz również artykuł: Fotowoltaika zimą.

Rola złącza p-n

Złącze p-n to dwa półprzewodniki, które występują obok siebie. Każdy z nich na nieco inną, ale znaczącą rolę w tworzeniu zjawiska fotowoltaicznego. W półprzewodniku typu „p” znajduje się więcej dziur elektronowych niż elektronów. W półprzewodniku typu „n” natomiast znajduje się więcej elektronów niż dziur.

Proces oświetlania półprzewodnika ze złączem powoduje dyfuzję elektronów i dziur (zmianę rozmieszczenia elektronów i dziur pod wpływem energii termicznej). To z kolei prowadzi do pojawienia się na jego końcach złącza różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego. W ten sposób produkowany jest prąd elektryczny stały, który należy zmienić na prąd zmienny, w każdym przypadku jeżeli chcemy praktycznie zastosować wyprodukowany prąd elektryczny. Urządzeniem, które jest konieczne w przypadku każdej instalacji fotowoltaicznej to falownik fotowoltaiczny, który odpowiada za zmianę prądu stałego na zmienny, czyli taki, który może zostać wykorzystany w gospodarstwie domowym, zmagazynowany lub oddany do sieci energetycznej.

Wykorzystanie zjawiska fotowoltaicznego i rozwój technologii

Po wspomnianym przełomie w roku 1954 coraz szybciej dokonywano usprawnień w technologii fotowoltaicznej. Już w roku 1958 panele fotowoltaiczne wykorzystano w amerykańskim satelicie naukowym – Vanguard 1C. Sześć ogniw fotowoltaicznych zasilało nadajnik radiowy, który przesyłał dane telemetryczne. Technologię fotowoltaiczną wykorzystywano wówczas głównie w celach eksploracji kosmosu. W dzisiejszych czasach instalacje fotowoltaiczne zyskują coraz większą popularność dla mniej spektakularnych celów. Fotowoltaika znajduje więc zastosowanie przy zasilaniu budynków mieszkalnych, sygnalizacji drogowej, latarni ulicznych, parkomatów itp.

Jak już wspomnieliśmy, ogniwo skonstruowane w 1954 cechowało się wydajnością równą 4 %. Od tego czasu ogniwa fotowoltaiczne znacznie ulepszono – w roku 2016 Uniwersytet Południowej Walii stworzył ogniwo o wydajności 34,5%.

Jak widzimy, fotowoltaika w ostatnich latach znacznie się rozwija. Jest to spowodowane znacznym zwiększeniem świadomości ekologicznej i działań prośrodowiskowych, które prowadzą do stopniowego rezygnowania z energii pochodzącej z nieodnawialnych źródeł. Fotowoltaika jest wciąż rozwojową dziedziną również ze względu na uwarunkowania prawne, dlatego też długoterminowa opłacalność fotowoltaiki rośnie.

Czy posiadając instalację fotowoltaiczną możliwa jest jej rozbudowa? Wątpliwości rozwiewamy w naszym wpisie blogowym: „Rozbudowa instalacji fotowoltaicznej – czy jest możliwa i opłacalna?„