Jak działa fotowoltaika?

Fotowoltaika to bezpośrednia konwersja światła w energię elektryczną na poziomie atomowym. Niektóre materiały posiadają właściwość znaną jako efekt fotoelektryczny, która powoduje, że pochłaniają one fotony światła i uwalniają elektrony. Kiedy te wolne elektrony są przechwytywane, powstaje prąd elektryczny, który może być użyty jako elektryczność.

Efekt fotoelektryczny został po raz pierwszy zauważony przez francuskiego fizyka, Edmunda Bequerela, w 1839 roku, który stwierdził, że niektóre materiały będą wytwarzać niewielkie ilości prądu elektrycznego pod wpływem światła. W 1905 r. Albert Einstein opisał naturę światła i efekt fotoelektryczny, na którym opiera się technologia fotowoltaiczna, za co później otrzymał nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Pierwszy moduł fotowoltaiczny został zbudowany przez Bell Laboratories w 1954 roku. Był on rozliczany jako bateria słoneczna i w większości przypadków był tylko ciekawostką, ponieważ był zbyt drogi, aby zyskać szerokie zastosowanie. W latach 60. przemysł kosmiczny zaczął poważnie wykorzystywać tę technologię do zasilania statków kosmicznych. Dzięki programom kosmicznym, technologia ta rozwinęła się, ustalono jej niezawodność, a koszty zaczęły spadać. W czasie kryzysu energetycznego w latach 70. technologia fotowoltaiczna zyskała uznanie jako źródło energii dla zastosowań poza przestrzenią kosmiczną.

Zobacz: czyszczenie fotowoltaiki

Powyższy schemat ilustruje działanie podstawowego ogniwa fotowoltaicznego, zwanego też ogniwem słonecznym. Ogniwa słoneczne wykonane są z tych samych rodzajów materiałów półprzewodnikowych, takich jak krzem, stosowanych w przemyśle mikroelektronicznym. W przypadku ogniw słonecznych, cienka płytka półprzewodnikowa jest specjalnie obrabiana w celu utworzenia pola elektrycznego, dodatniego z jednej strony i ujemnego z drugiej. Kiedy energia świetlna uderza w ogniwo słoneczne, elektrony są wyrzucane z atomów materiału półprzewodnikowego. Jeśli przewodniki elektryczne są przymocowane do dodatniej i ujemnej strony, tworząc obwód elektryczny, elektrony mogą być przechwytywane w postaci prądu elektrycznego – czyli energii elektrycznej. Ten prąd elektryczny może być następnie wykorzystany do zasilania obciążenia, np. światła lub narzędzia.

Szereg ogniw słonecznych połączonych ze sobą elektrycznie i zamontowanych w konstrukcji nośnej lub ramie jest nazywanych modułem fotowoltaicznym. Moduły są przeznaczone do dostarczania energii elektrycznej o określonym napięciu, np. wspólny system 12 V. Produkowany prąd jest bezpośrednio zależny od tego, ile światła dociera do modułu.

Kilka modułów może być połączonych razem w jedną matrycę. Ogólnie rzecz biorąc, im większa powierzchnia modułu lub tablicy, tym więcej energii elektrycznej zostanie wyprodukowanej. Moduły i tablice fotowoltaiczne wytwarzają prąd stały (DC). Mogą być one łączone zarówno szeregowo, jak i równolegle, w celu wytworzenia dowolnej wymaganej kombinacji napięcia i prądu.

Najczęściej stosowane obecnie urządzenia PV wykorzystują pojedyncze złącze lub interfejs do tworzenia pola elektrycznego w półprzewodniku, takim jak ogniwo PV. W pojedynczym ogniwie PV tylko fotony, których energia jest równa lub większa niż szczelina w paśmie materiału ogniwa, mogą uwolnić elektron do obwodu elektrycznego. Innymi słowy, reakcja fotowoltaiczna ogniw jednospalinowych jest ograniczona do tej części widma słonecznego, której energia znajduje się powyżej luki w paśmie materiału absorbującego, a fotony o niższej energii nie są wykorzystywane.

Jednym ze sposobów na obejście tego ograniczenia jest użycie dwóch (lub więcej) różnych ogniw, z więcej niż jedną szczeliną pasmową i więcej niż jednym złączem, do wytworzenia napięcia. Są one nazywane ogniwami „kaskadowymi”. Urządzenia wielofunkcyjne mogą osiągać wyższą całkowitą sprawność przetwarzania, ponieważ mogą zamieniać większą część widma energetycznego światła na energię elektryczną.

Jak pokazano poniżej, urządzenie wielofunkcyjne jest stosem pojedynczych komórek jednopołączeniowych w porządku malejącej szczeliny w paśmie (np.) Ogniwo górne przechwytuje wysokoenergetyczne fotony i przekazuje resztę fotonów do absorpcji przez ogniwa szczelinowe dolnego pasma.

Wiele współczesnych badań nad komórkami wielofunkcyjnymi koncentruje się na arsenku galu jako jednej (lub wszystkich) komórek składowych. Komórki te osiągnęły sprawność około 35% przy skoncentrowanym świetle słonecznym.Inne materiały badane dla urządzeń wielofunkcyjnych to amorficzny krzem i dyselenek indu miedzi.

Jako przykład, urządzenie wielofunkcyjne poniżej wykorzystuje górną komórkę fosforku indu galu, „połączenie tunelowe”, aby wspomóc przepływ elektronów między komórkami, a dolną komórkę arsenku galu.

Comments are Closed

© 2020: Moja-Energia.pl