Fotowoltaika, zwana też ogniwami słonecznymi, to urządzenia, które absorbują światło i przekształcają je w energię elektryczną. Wykonane są z materiałów półprzewodnikowych, takich jak krzem, i mogą być wykorzystywane do wielu zastosowań.
Aby być użytecznym, ogniwa fotowoltaiczne muszą działać przez długi czas bez pogorszenia wydajności. Dlatego naukowcy z NREL pracują nad technologiami, które zapewnią ich niezawodność przez cały okres użytkowania.
Co to jest efekt fotowoltaiczny?
Efekt fotowoltaiczny to proces, który przekształca energię słoneczną w elektryczną. Jest on realizowany przez ogniwa słoneczne wykonane ze specjalnego półprzewodnika krzemowego.
Atomy w krzemie są tak ułożone, że mają pasmo walencyjne. Kiedy światło wchodzi w kontakt z atomami, energia fotonów wybija elektrony z ich orbit atomowych i pozwala im swobodnie poruszać się po materiale.
Elektrony te mogą wtedy przejść do pasma przewodnictwa. Te elektrony są nazywane
Potem wędrują do złącza prostowniczego, zwykle jest to dioda p-n.
To tam powstaje prąd, ponieważ wzbudzone elektrony są omiatane przez pole elektryczne wytworzone między warstwami półprzewodnika typu n i p.
Te swobodne elektrony i dziury łączą się, tworząc obwód elektryczny, który generuje prąd. Ta energia elektryczna może być wykorzystana do zasilania domu lub czegoś innego.
Jak ogniwo fotowoltaiczne wytwarza energię elektryczną?
Ogniwo fotowoltaiczne przekształca energię światła słonecznego w energię elektryczną. Ogniwa fotowoltaiczne wykorzystują materiały półprzewodnikowe, takie jak krzem, które są poddawane specjalnej obróbce w celu wytworzenia pola elektrycznego.
Elektrony uwolnione podczas pochłaniania energii świetlnej przez materiał półprzewodnikowy mogą być odpychane od atomów w materiale przez pole elektryczne, co powoduje powstanie prądu elektrycznego (przepływ elektronów). Prąd ten może być następnie przechwycony i wykorzystany do zasilania innych urządzeń elektrycznych.
Istnieje wiele różnych rodzajów ogniw fotowoltaicznych, w tym monokrystaliczne i polikrystaliczne. Ogniwa monokrystaliczne są wykonane z pojedynczego kryształu krzemu i mogą być bardziej wydajne niż ogniwa polikrystaliczne.
Ogniwa polikrystaliczne są wykonane z wielu kawałków krzemu, które są ułożone w wielu kierunkach. Utrudnia to łatwy przepływ elektronów powstających w wyniku efektu fotowoltaicznego, ale mogą być tańsze i bardziej elastyczne niż ogniwa monokrystaliczne.
Ilość energii, jaką może wytworzyć ogniwo słoneczne, zależy od jego sprawności i średniego nasłonecznienia obszaru, na którym jest zainstalowane. Sprawność ogniw fotowoltaicznych stale się poprawia, ale nadal nie jest tak wysoka, jak mogłaby być.
Co się dzieje z nadmiarem energii elektrycznej z ogniwa fotowoltaicznego?
Opinia fotowoltaiczna jest zbudowana z dwóch różnych typów materiału półprzewodnikowego (rys. 1, zbliżenie). Jeden typ to typ n, w którym jest więcej elektronów niż dziur. Drugi typ to typ p, w którym jest więcej dziur niż elektronów. Kiedy światło słoneczne uderza w warstwę typu n, wyrzuca elektrony do dziur w warstwie typu p. W ten sposób powstaje „strefa zubożenia”. W ten sposób powstaje „strefa zubożenia” pomiędzy tymi dwoma warstwami. Kiedy strefa zubożenia jest przekraczana przez elektrony, przepływają one przez metalowy drut i przedostają się na drugą stronę warstwy typu n, tworząc prąd energetyczny.
Ilość energii elektrycznej produkowanej przez ogniwo słoneczne jest bezpośrednio związana z siłą prądu energetycznego. Ogólnie rzecz biorąc, ogniwo słoneczne o wysokim prądzie energetycznym będzie produkować więcej energii elektrycznej niż ogniwo o niższym prądzie. Dlatego należy się upewnić, że akumulatory w pozasieciowym systemie zasilania energią słoneczną są zaprojektowane w taki sposób, aby mogły przyjąć jak najwięcej nadwyżki energii wytworzonej przez panele.
Jak mogę wykorzystać nadwyżkę energii elektrycznej z ogniwa fotowoltaicznego?
Kiedy światło uderza w ogniwo fotowoltaiczne, powoduje wzbudzenie elektronów w płytce półprzewodnikowej. To pobudzenie elektronów powoduje przepływ prądu elektrycznego przez ogniwo. W niektórych przypadkach moc tego prądu można wykorzystać do różnych zastosowań.
Jednym z najprostszych sposobów wykorzystania nadmiaru energii elektrycznej z ogniw fotowoltaicznych jest wprowadzenie jej do sieci. To rozwiązanie jest nie tylko opłacalne, ale może też przynieść znaczny zwrot kosztów w czasie. Inne możliwości to przesunięcie obciążenia i ograniczenie mocy. Ta ostatnia opcja jest najbardziej wydajna z dwóch wymienionych i może być najbardziej korzystna dla wielu odbiorców. Najlepszym sposobem zarządzania nadmiarem energii z ogniw fotowoltaicznych jest podłączenie ich do falownika podłączonego do sieci energetycznej.
