W jednym z naszych poprzednich artykułów o fotowoltaice (Fotowoltaika – co to jest i jak działa?) dowiedzieliście się na czym polega zjawisko fotowoltaiczne. Przedstawiliśmy w nim pokrótce zasadę działania instalacji fotowoltaicznej oraz wymieniliśmy części, które się na nią składają. W poniższym tekście chcielibyśmy przedstawić podstawowy element każdej instalacji, bez którego zjawisko fotowoltaiczne nie byłoby możliwe. Budowa ogniwa fotowoltaicznego nie będzie już dla Was tajemnicą. W tym artykule dowiecie się, dlaczego ogniwa fotowoltaiczne różnią się od siebie i co z tego wynika.

Krzem – podstawa ogniwa fotowoltaicznego

Najbardziej popularnymi ogniwami fotowoltaicznymi są ogniwa krzemowe. Krzem, ze względu na swoje właściwości, idealnie sprawdza się w instalacji fotowoltaicznej. Jest drugim (zaraz po tlenie) najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem chemicznym dostępnym na Ziemi, przez co jego cena nie jest zbyt wysoka. Krzem posiada zdolność do przewodzenia prądu, jednak nie jest ona zbyt efektywna. Z tego powodu w ogniwach fotowoltaicznych wykorzystuje się krzem modyfikowany, służący jako półprzewodnik typu “n” oraz “p”.

Półprzewodniki typu p-n

Półprzewodnik typu “n” (negative) składa się dodatkowo z takich pierwiastków jak arsen, fosfor czy też antymon. Półprzewodnik typu “p” (positive) złożony jest na przykład z boru, indu lub glinu. Jeżeli połączymy oba te półprzewodniki, różnica potencjałów spowoduje, że zaczyna przepływać przez nie prąd. Jego wartość jest mała, jednak przy dodatkowej energii fotonów różnica potencjałów wzrasta niezwykle szybko.

Klasyczna budowa ogniwa fotowoltaicznego

Pojedyncze ogniwa fotowoltaiczne produkowane są w wymiarach od 10×10 do 15×15 centymetrów (4×4”, 5×5” oraz 6×6”). Taka budowa pozwala na wygenerowanie prądu o mocy od 1,00 do 6,97 W. Jak widać, nie jest to powalający efekt. Właśnie dlatego ogniwa fotowoltaiczne połączone są szeregowo i równolegle w całe panele, które potrafią wytwarzać prąd do 300W.  Krzemowe ogniwa fotowoltaiczne pierwszej generacji dzielą się ze względu na sposób produkcji na monokrystaliczne oraz polikrystaliczne.

Ogniwa I generacji – grubowarstwowe

Ogniwa monokrystaliczne

najbardziej wydajne ze wszystkich dostępnych na rynku ogniw fotowoltaicznych. Ogniwa monokrystaliczne wytwarzane z jednego kryształu krzemu, który posiada uporządkowaną strukturę wewnętrzną. Dzięki temu takie ogniwa są najsprawniejsze (osiągają sprawność do 22%) oraz charakteryzują się najdłuższą żywotnością. Koszt produkcji jest niestety również najwyższy ze wszystkich ogniw. W celu wytworzenia ogniwa monokrystalicznego należy wyprodukować pojedynczy kryształ krzemu.

budowa ogniwa monokrystalicznego

Proces Czochralskiego

Pojedynczy kryształ krzemu uzyskuje się z roztopionych polikryształów (temperatura topnienia krzemu wynosi 1420°C), które tworzą spójną masę. Wprowadza się w nią krzemowy pręt, wokół którego narasta jednolity kryształ. Aby odpowiednio rozłożyć temperaturę, hodowany krzem wprowadza się w ruch obrotowy. Wynikiem tych czynności jest utworzenie monokryształu krzemu o cylindrycznym kształcie.

Cięcie na płytki krzemowe

Tak wyprodukowany kryształ tnie się niezwykle precyzyjnie za pomocą lasera na płytki o grubości 0,3mm. Powierzchnia takiego krzemu odbija promienie słoneczne nawet do 40%. Aby zwiększyć efektywność płytek krzemowych, nanosi się na nie bardzo cienką warstwę przeciwodblaskową. Następnie, na tak przygotowane płytki nakłada się paski folii aluminiowej, które służą jako ścieżki prądowe. Końcowym etapem produkcji ogniw monokrystalicznych jest ich odpowiednie zabezpieczenie przed warunkami atmosferycznymi za pomocą folii organicznej EVA (Etyleno Vinylo Acid). Tak przygotowane ogniwa charakteryzują się najdłuższą żywotnością – pracują ponad 25 lat.

Ogniwa polikrystaliczne

Ze względu na uproszczony proces produkcji względem ogniw monokrystalicznych, są znacznie tańsze i niestety mniej wydajne. Ogniwa polikrystaliczne wytwarza się z płytek krzemowych, które są nieregularnie ułożone względem ich struktury krystalicznej. Ogniwa polikrystaliczne osiągają sprawność od 15 do 18%, a więc znacznie niższą niż ogniwa monokrystaliczne. Zaletą takich ogniw jest ich niższa cena. Ogniwa polikrystaliczne są łatwe do rozpoznania – posiadają niebieski kolor oraz widać na nich kryształy krzemu, które kształtem przypominają szron.

budowa ogniwa polikrystalicznego

Produkcja ogniw polikrystalicznych

Stopione polikryształy umieszcza się w specjalnych formach, w których stają się jednolitą masą. Po wystygnięciu tnie się je na płytki o grubości <0,2mm. Tak pocięte płytki szlifuje się i poddaje się takiemu samemu procesowi jak ogniwa monokrystaliczne (nałożenie warstwy przeciwodblaskowej oraz pasków folii aluminiowej).

Ogniwa II generacji – cienkowarstwowe

Ogniwa tego typu są znacznie cieńsze niż ogniwa I generacji. Największą różnicą w tego typu ogniwach jest jednak różnica w półprzewodniku. Nie jest on wykonany z krzemu krystalicznego lecz z takich materiałów jak tellurek kadmu (CdTe), mieszanki miedzi, indu, galu i selenu (CIGS), czy też krzemu amorficznego (a-Si).

Charakterystyka ogniw cienkowarstwowych

Ze względu na bardzo cienką warstwę półprzewodnika (od 0,001 do 0,08mm) cena ogniw II generacji jest znacznie mniejsza niż ogniw grubowarstwowych. Półprzewodniki w ogniwach cienkowarstwowych nakłada się trzema sposobami: za pomocą napylania, naparowywania oraz epitaksji na tanie podłoże takie jak szkło, polimer lub metal. Tak skonstruowane ogniwa mogą być niezwykle elastyczne i są coraz częściej wykorzystywane jako elementy budowlane.

ogniwa drugiej generacji

Ogniwa III generacji

Tego typu ogniwa nie zawierają już złącza typu p-n i bazują na bardzo różnych technologiach. Ogniwa III generacji mają charakter nowatorski i w większości nie są skomercjalizowane. Spowodowane jest to między innymi niską sprawnością oraz krótką żywotnością. Technologia wytwarzania ogniw III generacji jest jednak nadal udoskonalana. Wymienić tutaj można takie technologie jak skupianie promieni słonecznych na absorberze (CPV) czy też organiczne ogniwa fotowoltaiczne (OPV). Największymi zaletami organicznych ogniw jest niezwykle niskie koszty produkcji, nietoksyczność oraz absorpcja dochodząca nawet do 90%.

Jak widać, oferta ogniw fotowoltaicznych jest niezwykle szeroka. Co ciekawe, największą popularnością cieszą się nadal ogniwa I generacji, które obejmują większość rynku światowego. Coraz częściej jednak spotkać się można z zastosowaniem ogniw cienkowarstwowych w farmach fotowoltaicznych zarówno w Polsce, jak i na świecie.