Budowa ogniwa słonecznego

Na rynku królują krzemowe ogniwa słoneczne I generacji, zwane też grubowarstwowymi. Dostępne są jednak również różne rodzaje paneli słonecznych II generacji, tzw. cienkowarstwowych. Żeby lepiej zrozumieć czym jest ogniwo słoneczne zacznijmy jednak od budowy najprostszego z nich.

Ogniwa fotowoltaiczne I generacji

Ogniwa fotowoltaiczne lub w skrócie fotoogniwa są najczęściej produkowane z krzemu, wzbogacanego innymi pierwiastkami. Ze szkoły pamiętamy, że prąd może płynąć między potencjałami ujemnym i dodatnim. Krzem, chociaż nie jest metalem, ma właściwości półprzewodzące. Jednak, żeby stworzyć działające baterie PV, trzeba stworzyć warstwę ujemną i dodatnią. W ogniwach fotowoltaicznych pierwszej generacji uzyskuje się to za pomocą wzbogacenia warstwy dodatniej o pierwiastek trójwartościowy (np. glin, bor, ind). W wyniku wiązania z krzemem powstaje niedobór elektronów. Jest to tzw. półprzewodnik typu p, czyli pozytywny. Półprzewodnik typu n (negatywny) tworzy się przez łączenie krzemu z pierwiastkami pięciowartościowymi (głównie fosforem). W ten sposób na jednej warstwie krzemowej są luźne elektrony, a druga ma niedobór elektronów. Już w takiej sytuacji może płynąć słaby prąd. Jednak dopiero wystawienie ogniwa PV na słońce, pozwala uzyskać pożądaną moc.

Oprócz krzemu, ogniwa słoneczne są zbudowane z elektrody ujemnej i dodatniej, która tworzy ścieżki dla elektronów. Na koniec zabezpiecza się powierzchnię przed odbijanie promieni słonecznych oraz przed działaniem warunków atmosferycznych.

Wśród ogniw grubowarstwowych wyróżniamy ogniwa polikrystaliczne – produkowane ze stopu krzemu, który odlewa się do formy i następnie tnie na płytki, lub monokrystaliczne, z hodowanych kryształów.

Budowa ogniwa słonecznego I generacji może być tańsza lub droższa. Hodowanie kryształów krzemu wymaga pewnego czasu i odpowiednich warunków, jest więc droższym procesem. Jednak tak powstałe ogniwa fotowoltaiczne są bardziej wydajne.

Ogniwa słoneczne II generacji

W tej grupie mieszczą się różne rodzaje paneli słonecznych, wykorzystujące krzem i inne materiały. Ich wspólną cechą jest zastosowanie metody produkcji cienkowarstwowej. Budowa ogniwa tego typu opiera się nie na ciętych, ale nanoszonych różnymi sposobami (napylanie, epitaksja) bardzo cienkich warstw półprzewodnikowych. Dzięki niewielkiej grubości ogniw PV absorpcja energii słonecznej następuje szybciej. Do produkcji tego rodzaju paneli słonecznych wykorzystuje się zwykle tellurek kadmu lub mieszankę indu, galu, miedzi i selenu. Cienkowarstwowe ogniwa krzemowe są zbudowane z krzemu amorficznego. Cena ich produkcji jest o wiele niższa, ale tracą na wydajności.

Warto dodać, że istnieją też inne rodzaje paneli słonecznych, w których budowa ogniwa słonecznego zależy od konkretnej technologii. Nazywa się je wspólnym mianem ogniw III generacji i nie są jeszcze w powszechnym użyciu.

Schemat działania

Całościowy schemat działania ogniw fotowoltaicznych jest taki, że promienie słoneczne bombardują powierzchnię panelu, wyzwalają nadmiarowe elektrony na warstwie półprzewodnikowej -n. Elektrody porządkują przepływ elektronów. Na wyjściu z baterii powstaje prąd stały, który nadaje się do magazynowania, ale nie do użytku dla urządzeń domowych. Żeby zamienić prąd stały na zmienny i wysłać go do sieci lub zasilić gniazdka potrzebny jest inwerter, zwany też falownikiem.

Opisany schemat działania baterii słonecznych jest zawsze taki sam, niezależnie od technologii (przynajmniej w przypadku dostępnych powszechnie ogniw).

Jakie ogniwa wybrać?

Wiemy już jak działają panele słoneczne. Jednak zanim wybierzemy te najlepsze trzeba się zastanowić czego po nich oczekujemy. Należy przyjrzeć się takim czynnikom jak:

  • Cena
  • Wydajność
  • Dostępność
  • Odporność na wysokie temperatury
  • Wydajność w świetle rozproszonym
  • Żywotność

Cena, dostępność i wydajność paneli PV

Zwykle priorytetem jest porównanie ceny do wydajności. Tutaj wygrywają ogniwa polikrystaliczne. Są wystarczająco wydajne dla większości instalacji domowych, a ich cena nie przeraża. Drugie w kolejności są ogniwa solarne monokrystaliczne. Droższe o około 15%, ale najbardziej wydajne ze wszystkich dostępnych na rynku. Zarówno polikrystaliczne jak i monokrystaliczne są też długowieczne. Można z nich korzystać 25-30 lat. Poza powyższymi zaletami są to najpopularniejsze rodzaje paneli solarnych, są zatem powszechnie dostępne na rynku.

Najłatwiej porównać stosunek ceny do wydajności odpowiadając na proste pytanie: ile kosztuje jeden panel solarny?

  • Monokrystaliczny o mocy 450 Wp – ok. 1100 zł
  • Polikrystaliczny o mocy 380 Wp – ok. 800 zł
  • Amorficzny o mocy 150 Wp – ok. 370 zł

Ceny za 1 Wp mocy różnią się nie tylko w zależności od techniki wykonania, ale od marki i producenta. Dlatego warto zwracać uwagę co konkretna firma oferuje za konkretną cenę. Jeśli szukasz więcej porad i informacji, sprawdź także zebrane w tym miejscu artykuły na temat fotowoltaiki.

Ogniwa słoneczne na instalacje fotowoltaiczne na dachu, a także jak je wybrać
Ogniwa słoneczne na instalacje fotowoltaiczne i jak je wybrać krok po kroku

Wydajność zimą

W naszym klimacie ważnym pytaniem pozostaje czy solary działają w zimie. Tak, ale... Ogniwa słoneczne wytwarzają prąd zawsze kiedy dociera do nich energia ze słońca. To oznacza, że wydajność znacznie spadnie w grudniu i styczniu, a największa będzie w miesiącach letnich. Na baterie solarne nie ma wpływu temperatura, chociaż duże opady śniegu mogą upośledzać pobieranie energii słonecznej. To sprawia, że w Polsce bardziej opłaca się podpisać umowę z operatorem sieci lub założyć pojemny magazyn energii na własne potrzeby.

Specjalne zastosowania

Fotoogniwa II generacji są zwykle tańsze i mają swoje zalety, jednak nie są tak wydajne i pozostają ciągle mniej dostępne. Wykorzystuje się je w specyficznych celach. Na przykład fotoogniwa amorficzne dobrze sprawdzają się jako pokrycie dachu czy elewacji. Są bardzo eleganckie, można je barwić na różne kolory, mają wytrzymałość na wysokie temperatury i są lekkie. Ich wadą jest krótsza żywotność niż np. paneli polikrystalicznych. Po około 10 latach mogą być już do wymiany. Za to są tańsze, więc inwestycja szybciej się zwróci. Ogniwa amorficzne często wykorzystuje się w małych urządzeniach, jak solarna elektronika (np. zegarki) i przenośne ładowarki słoneczne.

Mówiliśmy, że ogniwa słoneczne mają mniejszą wydajność zimą, ze względu na mniejszy dostęp do słońca. Wiele osób wnioskuje z tego, że bardziej sprawne (np. monokrystaliczne) będą w tym przypadku najlepsze. Okazuje się jednak, że z zimowym rozproszonym światłem doskonale radzą sobie cienkowarstwowe panele CIGS (z miedzi, indu, glinu i selenu), dobrze pracują w takich warunkach również panele amorficzne.

Jak wybierać ogniwa fotowoltaiczne?

Wybierając ogniwa dla swojego domu lub firmy bierzemy pod uwagę wszystko co napisano powyżej. Trzeba jednak mieć w pamięci, że ogniwa to tylko część instalacji. Dobieramy je tak, żeby dało się do nich dopasować inne urządzenia i można je było łatwo zamontować. Ważne jest też jak długo będą funkcjonować i czy cena zwróci się zanim będziemy musieli zainwestować w następne. Tu dużo zależy od technologii, ale też od marki.

Dla ułatwienia można opracować schemat działania:

  • W pierwszej kolejności sprawdzamy najpopularniejsze opcje i porównujemy je z naszymi możliwościami (cena, dostępna powierzchnia itp.).
  • Następnie wybieramy te modele, które spełniają nasze oczekiwania w największym stopniu (biorąc pod uwagę również cenę instalacji i urządzeń dodatkowych).
  • Z tej puli możemy wybrać właściwe ogniwa fotowoltaiczne i rozpocząć procedurę zakupu oraz instalacji.

O tym jak obliczyć potrzebną moc, jakie są rodzaje falowników i magazynów energii oraz jak optymalnie ustawić baterie słoneczne piszemy w innych artykułach.

ikona podziel się Przekaż dalej