W poprzednich artykułach opisaliśmy między innymi budowę ogniwa fotowoltaicznego, przedstawiliśmy podstawowe elementy instalacji oraz wyjaśniliśmy ogólnie co to jest fotowoltaika. W tym artykule chcielibyśmy przybliżyć Państwu zjawisko fotowoltaiczne, bez którego wytwarzanie prądu z energii słonecznej nie byłoby możliwe. Na czym polega i kiedy zostało zaobserwowane? Sprawdźmy to!

Energia słoneczna

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 utratę 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. Oblicza się, że w Polsce największa ilość energii dociera w miesiącach letnich (około 900 W/m2) natomiast najmniej podczas zimy (około 200 W/m2). Właśnie dzięki tej energii dochodzi do zjawiska fotowoltaicznego.

fotowoltaika - zjawisko fotowoltaiczne

Pierwsze obserwacje

Pierwszą osobą, która zauważyła zjawisko fotowoltaiczne był francuski fizyk – Alexandre Edmond Becquerel – obserwacji dokonał w roku 1839. 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.

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. Dokonały tego trzy osoby w Bell Labs – Daryl Chapin, Calvin Fuller i Gerald Pearson. Oczywiście urządzenie charakteryzowało się znacznie mniejszą wydajnością niż ogniwa współczesne – jedynie 4%. Wiele osób uznaje jednak rok 1954 za przełomowy dla fotowoltaiki. Uzyskano wówczas energię, która zasiliła urządzenie elektryczne na kilka godzin.

Zjawisko fotowoltaiczne

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

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 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. 

panele słoneczne - zjawisko fotowoltaiczne

Krzem jako półprzewodnik

Pierwiastkiem takim jest krzem, 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 typu “p” i “n”. Każdy z nich jest dodatkowo złożony z innych pierwiastków, które zwiększają różnicę pomiędzy nimi ze względu na ilość elektronów walencyjnych. W ten sposób uzyskana różnica potencjałów wywołuje napięcie elektryczne podczas oświetlenia jednego z nich światłem słonecznym.

Wykorzystanie fotowoltaiki i ulepszenia

Po wspomnianym przełomie w roku 1954 coraz szybciej dokonywano usprawnień w technologii fotowoltaicznej. Już w roku 1958 panele fotowoltaiczne zostały wykorzystane w amerykańskim satelicie naukowym – Vanguard 1C. Sześć ogniw fotowoltaicznych zasilało nadajnik radiowy, który przesyłał dane telemetryczne. Technologia fotowoltaiczna była wówczas wykorzystywana 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.

panele fotowoltaiczne - zjawisko fotowoltaiczne

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.