🥳 Płytki Krzemowe Do Ogniw Słonecznych

1883: Charles Fritts konstruuje pierwsze znane ogniwa słoneczne wykorzystujące płytki selenowe. Fritts uznawany jest za wynalezienie ogniw solarnych, jednak pierwsze ogniwa opatentowano dopiero w roku 1941. 1954: Daryl Chapin, Calvin Fuller oraz Gerald Pearson zbudowali pierwsze krzemowe ogniwo fotowoltaiczne (PV) w laboratorium Bell Labs Cienkowarstwowe krzemowe moduły słoneczne są stosunkowo niedrogą alternatywą dla konwencjonalnych ogniw słonecznych wytwarzanych z Tłumaczenia w kontekście hasła "krzemowe ogniwa słoneczne" z polskiego na niemiecki od Reverso Context: Amorficzne krzemowe ogniwa słoneczne są nowymi cienkowarstwowymi ogniwami słonecznymi, które pojawiły się w 1976 r. wysoka jakość Wojskowa płyta kuloodporna z węglika krzemu ISO9001 z Chin, Chiny wiodące węglikowa wojskowa płyta kuloodporna Produkt, ze ścisłą kontrolą jakości silikonowa wojskowa płyta kuloodporna fabryki, wytwarzanie wysokiej jakości silikonowa wojskowa płyta kuloodporna produkty. Ocena cyklu życia (LCA) ocenia wpływ produktu lub procesu na środowisko od produkcji do unieszkodliwienia [2]. LCA bada nakłady materiałowe i energetyczne wymagane do wytworzenia i użytkowania produktu, emisje związane z jego użytkowaniem oraz wpływ unieszkodliwiania lub recyklingu na środowisko. LCA może również zbadać koszty Najpopularniejsze tłumaczenia "wafel krzemowy" po rumuńsku: plăcuță semiconductoare, Plăcuță semiconductoare. Sprawdź przykładowe zdania, wymowę LDYw2. Poniżej opisano przykładowy proces wytwarzania ogniw fotowoltaicznych; podobny proces zastosowano do wytworzenia fabrycznie nowych ogniw PV na bazie płytek krzemowych od-zyskanych w procesie recyklingu. Typowe ogniwo fotowoltaiczne to płytka półprzewodnikowa z krzemu monokrystalicznego lub polikrystalicznego, w której została uformowana bariera potencjału w postaci złącza p- n. Grubość płytek zazwyczaj zawiera się w granicach 200÷500 mikrometrów. Na przednią i tylną stronę płytki naniesione są metaliczne połączenia- kontakty elektryczne. Ogniwa z krzemu monokrystalicznego wykonywane są z płytek o kształcie okrągłym, a następnie przycinane są do przekroju kwadratowego dla zwiększenia upakowania na powierzchni modułu. Monokry-staliczne ogniwa fotowoltaiczne wykazują najwyższe sprawności konwersji ze wszystkich ogniw krzemowych, ale są również najdroższe w produkcji. Wytworzone w warunkach labo-ratoryjnych pojedyncze ogniwa osiągają sprawność rzędu 24%. Ogniwa produkowane na skalę przemysłową mają sprawność rzędu 17%. Struktura multikrystaliczna (polikrystaliczna) charakteryzuje się dużymi rozmiarami ziaren: od 1 [mm] do 1 [cm]. Polikrystaliczne ogniwa krzemowe wykonywane są z dużych prostopadłościennych bloków krzemu, wytwarzanych w specjalnych piecach, w których roztopiony krzem jest powoli ochładzany, aby zainicjować wzrost polikryształu o dużych ziarnach. Bloki te są cięte na prostokątne płytki, w których formowana jest bariera potencjału. Polikrystaliczne ogniwa są nieco mniej wydajne niż mo-nokrystaliczne, ale jednocześnie koszt ich produkcji jest niższy. Płytki krzemowe wykorzysty-wane do produkcji ogniw poddawykorzysty-wane są w pierwszym etapie wstępnemu myciu, a następnie obróbce chemicznej w celu usunięcia zanieczyszczeń. Zanieczyszczenia powierzchni można podzielić na: cząsteczkowe, jonowe lub atomowe [54]. Obróbkę chemiczną przeprowadza się w gorącym roztworze KOH. Trawienie to jest koniecz-ne, gdyż krzem w obszarach przypowierzchniowych jest silnie zdefektowany, co ujawnia się w postaci mikropęknięć, powstających w wyniku cięcia bloku krzemowego na płytki. W na-stępnym etapie płytki trawi się w roztworze KOH i alkoholu izopropylowego w celu wytwo-rzenia tekstury powierzchni, zmniejszającej odbicie światła. W przypadku płytek multikrystalicznych stosowana jest również inna metoda, polegająca na równoczesnym usunięciu warstwy uszkodzonej i teksturyzację (piramidyzację) powierzchni poprzez trawienie kwasowe. Zaletą tej metody w porównaniu do trawienia w roztworze KOH jest możliwość otrzymania większej jednorodności powierzchni, brak uskoków i uzyskanie mniejszego współczynnika odbicia światła. Po procesie oczyszczania następuje formowanie złącza p- n. W zależności od rodzaju atomów domieszki otrzymujemy dwa typy przewodnic-twa: elektronowe (półprzewodnik typu n); dziurowe (półprzewodnik typu p). Strona 20 z 183 Półprzewodnik typu n uzyskuje się przez dodanie w procesie wzrostu kryształu krzemu do-mieszki pierwiastka pięciowartościowego, najczęściej fosforu. Półprzewodnik typu p uzyskuje się przez zastąpienie niektórych atomów krzemu atomami pierwiastka trójwartościowego, najczęściej boru. Wprowadzając różną ilość atomów domieszkowych można zmieniać rezy-stywność półprzewodnika (rys. 2. 13). Rys. Zależność rezystywności w zależności od poziomu pierwiastka domieszkowego w krzemie [48] Proces domieszkowania może być realizowany dwoma sposobami : w rurze kwarcowej z użyciem źródła fosforu POCl3; proces dyfuzji zachodzi w temperaturze około 850 [oC] w czasie około 40 [min]. Uzyskuje się złącze o głębokości ok. 0,3 [Ω∙cm] i rezystancji powierzchniowej około 45 [Ω/□]. Proces dyfuzji może być prowadzony w układzie zamkniętym bądź otwartym w piecu jedno lub dwustrefowym (rys. 2. 14 i 2. 15). Poziom domieszki (cm-3) Rezystywność (Ω∙cm) Krzem typu p domieszkowanie borem Krzem typu n domieszkowanie fosforem Temperatura 300 K Strona 21 z 183 Rys. Dyfuzja w układzie zamkniętym (I) oraz otwartym (II) przy zastosowaniu: a, b- stałego źródła domieszki, c- gazowego źródła domieszki [10] Rys. Piec do procesu dyfuzji z POCl3 i z BBr3 i do procesu utleniania [65] w promiennikowym piecu taśmowym (LA-310). Źródłem fosforu są pasty fos-forowe naniesione metodą sitodruku lub emulsje fosfos-forowe- przy użyciu wi-rówki. 10 Radziemska Ewa, Lipiński Marek, Ostrowski Piotr, RE-USE OF PHOTOVOTAIC CRYSTALLINE SILICON SOLAR CELLS – TECHNOLOGICAL POSSIBILITIES, Heat Transfer and Renewable Sources of Energy: HTRSE-2008: Proceedings of the XIIth International Symposium, 2008, s. 187÷194: 13 rys., 1 tab. - Bibliogr. 4 978-83-7457-055-8. rury kwarcowe piec dwustrefowy piec jednostrefowy I - Dyfuzja w układzie zamkniętym II - Dyfuzja w układzie otwartym b) c) Gazowe źródło domieszki N2 O2 H2 N2 O2(H2) kwarcowa kase-ta z płytkami Si a) a piec dwustrefowy b c W kolejnym etapie usuwa się złącze z krawędzi płytek poprzez ułożenie ich w stosie w sp cjalnym do tego celu ścisku teflonowym i poddaje procesowi trawienia chemicznego w ro tworze HF: HNO3: H2O. Następnie usuwa się powstałe w procesie dyfuzji szkliwo fosforowe w wodnym roztworze kwasu HF i tworzy się tzw. maski, służące do otrzymywania określonych kształtów materiału półprzewodnikowego w postaci SiO stwy krzemu. Na tak utlenioną powierzchnię krzemu nanoszona jest warstwa antyrefleksyjna i pasywującą (TiOx), metodą chemiczną ze z jako gazu nośnego. Następnie na przednią i tylną nanosi się kontakty metaliczne browej, zaś do kontaktu tylnej części płytki w temperaturze 150 [oC] i wypalane w promiennikowym pi Rys. Taśmowy p Omowy kontakt przedni uzyskuje się poprzez przepalenie pasty przez warstwę SiO wyniku równoczesnego wypalenia pasty Al powstaje tylny kontakt o obszarze, którego występuje pole elektryczne tzw. BSF ( Na rys. 2. 17 przedstawiono w sposób schematyczny przekrój taicznego, na którym zaznaczono Rys. Schemat typowego komercyjnego 1. metalizacja tylna; 2. warstwa typu p+; 3. baza- warstwa typu p (krzemowe po łoże bazowe); 4. emiter- warstwa typu n+ 5. warstwa antyrefleksyjna i 6. metalizacja przednia. Strona 22 z 183 suwa się złącze z krawędzi płytek poprzez ułożenie ich w stosie w sp cjalnym do tego celu ścisku teflonowym i poddaje procesowi trawienia chemicznego w ro O. Następnie usuwa się powstałe w procesie dyfuzji szkliwo fosforowe w wodnym roztworze kwasu HF i tworzy się tzw. maski, służące do otrzymywania określonych kształtów materiału półprzewodnikowego w postaci SiO2 oraz Si3N4 poprzez utlenianie wa Na tak utlenioną powierzchnię krzemu nanoszona jest warstwa antyrefleksyjna i pasywującą metodą chemiczną ze związku czteroetyloortotytanianu- (C2H5O)4 . Następnie na przednią i tylną części płytki za pomocą techniki sitodruku nosi się kontakty metaliczne. Do wytworzenia kontaktu przedniego używa się pasty sr o kontaktu tylnej części płytki– pasty aluminiowej. Pasty są suszone w suszarce i wypalane w promiennikowym piecu taśmowym . Taśmowy piec IR do wypalania metalizacji- LA-310 (RTC) [ Omowy kontakt przedni uzyskuje się poprzez przepalenie pasty przez warstwę SiO wyniku równoczesnego wypalenia pasty Al powstaje tylny kontakt omowy i złącze obszarze, którego występuje pole elektryczne tzw. BSF (ang. Back Surface Field w sposób schematyczny przekrój krzemowego taicznego, na którym zaznaczono wszystkie jego elementy: typowego komercyjnego krzemowego ogniwa fotowoltaicznego (opracowanie własne) warstwa typu p (krzemowe pod-+; warstwa antyrefleksyjna i pasywująca; suwa się złącze z krawędzi płytek poprzez ułożenie ich w stosie w spe-cjalnym do tego celu ścisku teflonowym i poddaje procesowi trawienia chemicznego w roz-O. Następnie usuwa się powstałe w procesie dyfuzji szkliwo fosforowe w wodnym roztworze kwasu HF i tworzy się tzw. maski, służące do otrzymywania określonych poprzez utlenianie war-Na tak utlenioną powierzchnię krzemu nanoszona jest warstwa antyrefleksyjna i pasywującą 4Ti z użyciem azotu ocą techniki sitodruku . Do wytworzenia kontaktu przedniego używa się pasty sre-pasty aluminiowej. Pasty są suszone w suszarce ecu taśmowym (rys. 2. 16). [23] Omowy kontakt przedni uzyskuje się poprzez przepalenie pasty przez warstwę SiO2/TiOx. W mowy i złącze p-p+, w Back Surface Field). krzemowego ogniwa fotowol-fotowoltaicznego Strona 23 z 183 Z jednego z naszych poprzednich artykułów o fotowoltaice pt. „Fotowoltaika – co to jest i jak działa?” mogliście dowiedzieć się na czym polega zjawisko fotowoltaiczne oraz poznać podstawy dotyczące fotowoltaiki. Przedstawiliśmy w nim zasadę działania instalacji fotowoltaicznej oraz wymieniliśmy części, które się na nią składają. W poniższym artykule chcielibyśmy przybliżyć podstawowy element każdej instalacji, bez którego zjawisko fotowoltaiczne nie byłoby możliwe. Budowa ogniwa fotowoltaicznego nie będzie już dla Was tajemnicą. Dzięki temu artykułowi dowiecie się, dlaczego ogniwa fotowoltaiczne różnią się od siebie i co z owych różnic wynika. Jak działają ogniwa fotowoltaiczne? Ogniwa fotowoltaiczne to elementy, które tworzą urządzenie jakim jest panel fotowoltaiczny zwany również modułem fotowoltaicznym. Ogniwa fotowoltaiczne najczęściej łączone są szeregowo, są odpowiednio zabezpieczone i umieszczone w specjalnej obudowie. Pojedyncze ogniwa fotowoltaiczne mają niewielką moc i dlatego łączone są w większe moduły, które łączą się w instalacje fotowoltaiczne, stanowiąc ich najważniejszą część. W module fotowoltaicznym połączone ogniwa fotowoltaiczne w płaskiej postaci i o grubości ok. 0,2 mm znajdują się pomiędzy transparentnymi foliami EVA, które odpowiadają za prawidłowe zabezpieczenie warstwy ogniw. Ogniwa fotowoltaiczne, które tworzą panele odbierają energię słoneczną i przetwarzają ją na energię elektryczną – prąd stały DC. Prąd w takiej postaci trafia do falownika fotowoltaicznego, który zamienia prąd stały na prąd zmienny, który jest podstawą użytkowej energii elektrycznej w każdym budynku. 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) składa się 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. Instalacja fotowoltaiczna o mocy 4,44 kWp, Biedrusko Klasyczna budowa ogniw fotowoltaicznych 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 fotowoltaiczne, które potrafią wytwarzać prąd do 300W. Krzemowe ogniwa fotowoltaiczne pierwszej generacji dzielą się ze względu na sposób produkcji na monokrystaliczne oraz polikrystaliczne. W każdej instalacji fotowoltaicznej kluczową rolę odgrywają również przewody do fotowoltaiki. Więcej o nich przeczytasz w naszym wpisie: „Kabel do paneli fotowoltaicznych„ Ogniwa I generacji – grubowarstwowe Ogniwa I generacji zaliczana są wciąż do najpopularniejszych na rynku. Zbudowane są z krzemu, który jest relatywnie popularnym i tanim surowcem, który wciąż jest popularny na rynku. Ogniwa monokrystaliczne Są 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. Proces Czochralskiego – powstawanie kryształu krzemu 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 0,3 mm. 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. Instalacja fotowoltaiczna o mocy 8,14 kWp, Dąbrówka Wielkopolska 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. 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 mniejszej niż 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 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. Jeżeli wiesz, jak wygląda budowa ogniwa fotowoltaicznego, skorzystaj z narzędzia jakim jest kalkulator fotowoltaiczny dostępny na naszej stronie. Dzięki niemu dowiesz się jaka instalacja będzie odpowiednia dla Twojego budynku, a także oszacujesz jej koszt. Produkujące darmowy prąd ze słońca panele fotowoltaiczne intrygują. Jak to się dzieje, że tak niepozorne elementy są przyczynkiem do rewolucji energetycznej? Tajemnicą jest budowa ogniw fotowoltaicznych, które połączone w moduły tworzą panele. Dowiedz się, jak działają ogniwa fotowoltaiczne i w jaki sposób przekształcają energię słoneczną w energię elektryczną dla Twojego domu lub firmy. Zasada działania ogniwa fotowoltaicznego Ogniwa fotowoltaiczne to elementy stworzone z myślą o wdrażaniu w życie zjawiska fotowoltaiki. Odpowiada ono za przekształcanie energii promieniowania słonecznego w prąd elektryczny. Energia słoneczna to wynik reakcji fuzji jądrowych zachodzących we wnętrzu Słońca. Do Ziemi dociera w postaci promieniowania, które daje żyjącym na niej organizmom przede wszystkim światło i ciepło. Światło to może docierać między innymi do paneli fotowoltaicznych i ogniw, z których są zbudowane. Każde ogniwo powstaje z materiału półprzewodnikowego, najczęściej krzemu, który pochłania fotony (jednostki światła). W efekcie elektrony są zmuszane do ruchu i tworzą napięcie elektryczne (prąd stały). W ten sposób z energii słonecznej powstaje energia elektryczna. Po zamianie na prąd zmienny (czym zajmuje się inwerter nazywany również falownikiem) może ona zasilać dowolne instalacje i urządzenia elektryczne. Budowa ogniwa fotowoltaicznego Jak już wspomniano, ogniwa fotowoltaiczne najczęściej zbudowane są z krzemu. Może to być jednak również np. selen lub german. Zawsze musi to być jednak materiał półprzewodnikowy. Wykonuje się z niego płytkę składającą się z dwóch warstw – wierzchniej (typu „n”, czyli ujemnej) oraz spodniej (typu „P”, czyli dodatniej). Dzieli je półprzewodnikowe złącze p-n. Nad płytką znajdują się elektrody zbierające (ujemne) w postaci siatki przykryte powłoką antyrefleksyjną, a na spodzie elektrody przenoszące (dodatnie) w formie metalowej płytki. Tylko taka budowa ogniwa zapewnia prawidłowe działanie instalacji fotowoltaicznej. Rodzaje ogniw fotowoltaicznych Ogólna budowa ogniw słonecznych zawsze jest taka sama, ale mogą się różnić np. zastosowanymi materiałami czy rozmiarem. Dostępne są też różne generacje i typy ogniw, które wpływają na działanie paneli fotowoltaicznych i ilość produkowanej przez nie energii elektrycznej. Ogniwa I generacji (krzemowe) Ogniwa fotowoltaiczne tzw. I generacji to najpopularniejsze ogniwa krzemowe. Wykonane z nich panele są znane jako panele grubowarstwowe ze względu na dość dużą (w porównaniu z innymi rozwiązaniami) grubość płytek krzemowych. W tej kategorii można wyróżnić panele fotowoltaiczne: monokrystaliczne, których ogniwa są wykonane z pojedynczego kryształu krzemu; polikrystaliczne, których ogniwa produkuje się z bloku wykrystalizowanego krzemu. Pierwszy wariant jest sprawniejszy (co przekłada się na wyższą produkcję energii elektrycznej), ale również i droższy. Ciemny, niemal czarny kolor panelu oznacza, że budują go ogniwa monokrystaliczne. Panele słoneczne w kolorze niebieskim zbudowane są za z ogniw polikrystalicznych. Wyróżnia je niższa sprawność i niższa cena. Ogniwa II generacji Ogniwa fotowoltaiczne II generacji jeśli wykorzystują krzem, to tylko amorficzny. Mogą być również zbudowane z: tellurku kadmu, mieszaniny miedzi, indu, galu lub selenu. Różnią się nieco procesem produkcji. Dzięki nim tworzy się cienkowarstwowe panele fotowoltaiczne, ponieważ warstwa półprzewodnika absorbującego światło jest bardzo cienka. Wciąż są one jednak stosowane dość rzadko. Ogniwa III generacji Najnowsza, trzecia generacja ogniw fotowoltaicznych jest najbardziej innowacyjna. Budowa ogniwa nie opiera się na złączu p-n, a ładunek powstaje z wykorzystaniem innych (różnych) metod. To jednak technologia, która wciąż nie jest dopracowana. Ogniwa fotowoltaiczne III generacji w praktyce nie są zbyt wydajne w zakresie przekształcania mocy promieniowania słonecznego w energię elektryczną. Dlatego na razie nie są powszechnie stosowane, a badania i testy nad nimi trwają. Ile energii produkuje ogniwo fotowoltaiczne? To, jak wysoka będzie produkcja energii z fotowoltaiki, zależy od kilku czynników. Pojedyncze ogniwo może wygenerować prąd o mocy od ok. 1 W do 7 W – zależy to bezpośrednio od jego wielkości. Z kolei typ ogniw przekłada się na sprawność całych paneli, czyli ich zdolność do przetwarzania energii słonecznej w elektryczną. Ostatecznie ilość energii uzyskanej z modułów fotowoltaicznych będzie też zależeć od ich umiejscowienia i warunków atmosferycznych. Średnio przyjmuje się jednak, że z 1 kW mocy instalacje fotowoltaiczne produkują ok. 1000 kWh energii rocznie. W związku z tym roczna produkcja z jednego ogniwa mającego moc 1 W wyniesie 1 kWh. Wydajna fotowoltaika dla Twojego domu, gospodarstwa i firmy Nie musisz się znać na parametrach ogniw fotowoltaicznych, by korzystać z wydajnej instalacji, która pozwoli Ci na produkcję własnego, ekologicznego prądu. Wystarczy, że skorzystasz z doświadczenia ekspertów Erato Energy, którzy pomogą Ci w doborze odpowiedniej technologii, wykonaniu projektu i montażu modułów w taki sposób, by gotowa instalacja była maksymalnie opłacalna. Sprawdź ofertę i zacznij oszczędzać dzięki własnej produkcji prądu ze słońca! Nowe rozwiązania w ogniwach PV krzemowych Klasy ogniw krzemowych Co to jest fotoogniwo? Ogniwa fotowoltaiczne, ogniwa słoneczne lub fotoogniwa są to urządzenia, które zamieniają energię promieniowania słonecznego bezpośrednio w energię elektryczną. Budowa ogniw fotowoltaicznych Większość obecnie produkowanych ogniw fotowoltaicznych oparta jest na półprzewodnikowych złączach p-n. Ogniwo słoneczne składa się z dwóch warstw: jednej ujemnie naładowanej i drugiej naładowanej dodatnio. Światło słoneczne padając na ogniwo słoneczne inicjuje reakcję fizyczną, w efekcie której powstaje prąd stały. Jako, że większość urządzeń elektrycznych i sieć energetyczna wykorzystuje prąd zmienny, wyprodukowany prąd stały musi zostać przekonwertowany do prądu zmiennego o właściwym napięciu. Proces ten jest dokonywany za pomocą przetwornika zwanego falownikiem. Opis zjawiska – aby zrozumieć proces powstawania prądu w ogniwie fotowoltaicznym musimy przypomnieć sobie z fizyki naturę światła. Zgodnie z teorią Einsteina, o falowo korpuskularnej naturze promieniowania, światło słoneczne możemy traktować jako fale rozchodzące się w przestrzeni z pewną częstotliwością, lub strumień fotonów (kwantów), z których każdy niesie energię. Fotony zderzając się z elektronami przekazują im całą niesioną przez siebie energię, przy czym przy odpowiednio dużej jej wartości dochodzi do zjawiska fotoemisji, czyli wybicia elektronów z orbit atomowych. Atom który stracił elektron uzyskuje ładunek dodatni „+e”, a miejsce w którym brakuje elektronu nazywamy dziurą (-e). Zjawisko fotoemisji elektronów zachodzi najszybciej w atomach posiadających dużą ilość tzw. elektronów walencyjnych, poruszających się po orbitach najdalej położonych od jądra. Przykładem takiego pierwiastka jest krzem, który posiada na ostatniej powłoce 4 elektrony walencyjne. Krzem chociaż nie jest metalem, ma zdolność do przewodzenia prądu. Przewodność ta jest jednak niewielka, dlatego w technice wykorzystuje się krzem modyfikowany, jako półprzewodnik typu „n” i „p”. Półprzewodnik typu n (negative) uzyskuje się przez dodanie w procesie wzrostu kryształu domieszek pięciowartościowych, czyli takich, które posiadają o 1 elektron walencyjny więcej od krzemu (np. fosfor, arsen, antymon). Ten piąty elektron z powodu braku pary nie będzie brał udziału w tworzeniu wiązania kowalencyjnego. Będzie słabo związany z jądrem, a więc niewielka ilość energii będzie potrzebna, aby zerwać to wiązanie. Półprzewodnik typu p (positive) uzyskuje się analogicznie poprzez dodanie do kryształu pierwiastków trójwartościowych (np. bor, ind, glin), co spowoduje zdekompletowanie jednego z wiązań kowalencyjnych w sieci krystalicznej i powstanie dziur elektronowych. Przy połączeniu ze sobą obu półprzewodników powstaje między nimi różnica potencjałów i zaczyna płynąć prąd. Jego wartość jest niewielka, ale jeśli doprowadzimy do układu energię fotonów różnica potencjałów gwałtownie wzrośnie. Budowa ogniwa fotowoltaicznego Pojedyncze ogniwo fotowoltaiczne składa się z płytki krzemowej. Na górnej powierzchni płytki umieszczona jest elektroda zbierająca elektrony w postaci siatki, a na dolnej nanoszona jest elektroda dolna w postaci warstwy metalicznej Pojedyncze ogniwa krzemowe wykonywane są o wymiarach 4×4″, 5×5″ i 6×6″, czyli 10×10 do 15x15cm i są w stanie wygenerować prąd o mocy od 1-6,97 W. W praktyce wielkość energii uzyskanej z jednego ogniwa nie przekracza zwykle 4 W. Ogniwa łączy się szeregowo i równolegle w baterie (panele fotowoltaiczne). Jeden panel jest juz w stanie wygenerować moc dochodzącą do 300W. Rodzaje ogniw fotowoltaicznych Ogniwa krzemowe (I generacji) Obserwując na targach panele fotowoltaiczne, z pewnością zauważyliśmy różne kolory i kształty pojedynczych ogniw. Jest to związane z ich budową i procesem produkcyjnym. Najpopularniejsze i mające zdecydowanie największy udział w rynku to ogniwa tzw. I generacji wykonane z płytek krzemowych o grubości od 0,1-0,3mm, stąd inna nazwa grubowarstowe. Ogniwa te posiadają złącze typu n-p i wykonywane są z krzemu monokrystalicznego lub polikrystalicznego. Ogniwa monokrystaliczne – tworzone są z jednego kryształu krzemu o uporządkowanej strukturze wewnętrznej, osiągają najwyższą sprawność (do 22%) i największą żywotność, ale są kosztowne. Mają obecnie największy udział w rynku. Wytwarzanie ogniw monokrystalicznych wymaga wyprodukowania pojedynczych kryształów krzemu. W praktyce stosowany jest najczęściej proces Czochralskiego polegający na wyciąganiu pojedynczego kryształu krzemu z roztopionej masy polikryształów. Zarodkiem wokół którego narasta stopniowo kryształ krzemu wykonany jest z krzemowego pręta. Tygiel w którym znajduje się hodowany kryształ dodatkowo wprowadzony jest w ruch obrotowy, aby polepszyć rozkład temperatur. W rezultacie otrzymuje się cylindryczny monokryształ o orientacji krystalograficznej zarodka. Wymiary i kształt hodowanego kryształu (średnica oraz długość) kontrolowane są poprzez prędkość przesuwu i prędkość obrotową zarodka, ograniczone są jednak poprzez parametry układu zastosowanego do hodowli. Fot. Proces wzrostu kryształów krzemu zachodzi w temperaturze 1400 C (po prawej), po lewej gotowe pręty krzemowe do pocięcia na płytki. Ryc. Po lewej schemat obrotowego tygla do metody Czochralskiego, po prawej – imponujący kryształ krzemu. Fot. Etapy metody Czochralskiego (1) Topienie materiału, (2) stabilizacja temperatury, (3) Kontakt zarodek-roztop, (4) krystalizacja przedłużenia zarodka, (5) powiększenie średnicy (stożek początkowy), (6) wzrost części walcowej. Szybkość przyrostu kryształu waha się od 10 do nawet 50mm/h. Wyciągnięcie walca o długości 1m trwa zwykle około 30h. Wyhodowany kryształ w kształcie walca cięty jest najpierw na pionowe kolumny o zaokrąglonych bokach, a następnie za pomocą lasera lub druta ze stali nierdzewnej na tzw. „wafle” płytki o grubości 0,3mm i promieniu od kilku do kilkunastu cm. Płytki takie mają ładunek (p-) a technologia tego typu nosi nazwę grubowarstwowej. W pojedynczych płytkach w cienkiej warstwie powierzchniowej za pomocą dyfuzji fosforu wytwarza się obszar typu (n+). Połączenie ze sobą dwóch takich płytek daje złącze (p-n). Krzem krystaliczny, a ściślej jego powierzchnia, ma tendencję do odbijania padających promieni słonecznych (nawet do 40%). Aby temu zapobiec na powierzchnię płytki nanosi się cienką warstwę przeciwodblaskową. Dalsza produkcja polega na naniesieniu ścieżek prądowych z cienkich pasków folii aluminiowej i zabezpieczeniu całego ogniwa przed wpływem warunków atmosferycznych specjalną warstwą folii organicznej EVA (Etyleno Vinylo Acid). Dzięki takiej hermetycznej strukturze ogniwa mogą pracować w instalacjach całorocznych ponad 25 lat. Wyhodowany kryształ w kształcie walca cięty jest następnie za pomocą lasera na płytki o grubości 0,3mm i promieniu od kilku do kilkunastu cm. Płytki takie mają ładunek (p-) a technologia tego typu nosi nazwę grubowarstwowej. W pojedynczych płytkach w cienkiej warstwie powierzchniowej za pomocą dyfuzji fosforu wytwarza się obszar typu (n+). Połączenie ze sobą dwóch takich płytek daje złącze (p-n). Krzem krystaliczny, a ściślej jego powierzchnia, ma tendencję do odbijania padających promieni słonecznych (nawet do 40%). Aby temu zapobiec na powierzchnię płytki nanosi się cienką warstwę przeciwodblaskową. Dalsza produkcja polega na naniesieniu ścieżek prądowych z cienkich pasków folii aluminiowej i zabezpieczeniu całego ogniwa przed wpływem warunków atmosferycznych specjalną warstwą folii organicznej EVA (Etyleno Vinylo Acid). Dzięki takiej hermetycznej strukturze ogniwa mogą pracować w instalacjach całorocznych ponad 25 lat. Rys. Pojedyncze ogniwo monokrystaliczne i fragment panelu. Ogniwa polikrystaliczne – produkowane są zwykle metodą odlewania tyglowego (rys. po lewej). Surowe kawałki krzemu topi się w w tyglu o prostopadłościennym kształcie uzyskując jeden duży blok krzemowy. Ten cięty jest następnie na prostopadłościany i dalej na płytki („wafle”) o grubości <0,2mm. Koszt produkcji jest znacznie mniejszy i mniej energochłonny niż w przypadku metody Chochralskiego, dzięki czemu są tańsze od monokrystalicznych jednak posiadają mniejszą sprawność. Posiadają niebieski kolor oraz mają wyraźnie zarysowane kryształy krzemu przypominające szron. Ze względu na niską cenę obecnie są najczęściej stosowanymi fotoogniwami na rynku. Dalsza obróbka polega na: – szlifowaniu płytek – nałożeniu ścieżek prądowych metodą druku sitowego – nałożenie warstwy antyodblaskowej Sprawność modułów polikrystalicznych wynosi 15-18%. Jest więc niższa niz ogniw monokrystalicznych, ale jednocześnie tańsza w produkcji. Koszt wyprodukowania ogniwa polikrystalicznego wynosi 2,3zł/W podczas gdy monokrystalicznego 2,5zł/W. Fot. Pojedyncze ogniwo polikrystaliczne i fragment panelu. Ogniwa II generacji Są także zbudowane w oparciu o złącze n-p jednak nie z krzemu krystalicznego lecz np. z tellurku kadmu (CdTe), mieszaniny miedzi, indu, galu, selenu (CIGS) czy krzemu amorficznego (a-Si). Ich cechą charakterystyczną jest bardzo mała grubość warstwy półprzewodnika absorbującej światło, która zazwyczaj waha się od 0,001-0,08mm, stąd inna nazwa ogniwa cienkowarstwowe. Z uwagi na dużą redukcję zużycia półprzewodników są znacznie tańsze w produkcji, a cały proces bardziej zautomatyzowany. Ogniwa PV II generacji nie mają ściśle zdefiniowanego materiału z którego są wykonane. Jego struktura może być krystaliczna, jak i amorficzna. Ważniejszy jest proces ich produkcji metodą cienkowarstwową poprzez: – napylanie – naparowywanie – epitaksję Mniejsza grubość warstwy absorbera promieniowania słonecznego powoduje krótszą drogę promienia w materiale, wymuszając aby absorpcja przebiega szybciej, możliwie blisko powierzchni ogniwa. Determinuje to zastosowanie do produkcji tej warstwy materiałów posiadających własności absorpcyjne jak: tellurek kadmu, azotek indu, fosforek indu, itp. Ogniwa III generacji Nie posiadają już klasycznego złącza typu p-n, mechanizm powstawania w nich ładunku elektrycznego jest charakterystyczny dla danego procesu i rozwiązania i ma charakter nowatorski. Obecnie wyróżnia się co najmniej pięć typów takich ogniw: – ogniwa w układach koncentrujących światło (koncentratory PV) – wysokosprawne wielozłączowe struktury półprzewodnikowe – ogniwa uczulane barwnikiem – ogniwa organiczne OPV – inne ogniwa np. perowskitowe Ogniwa III generacji nie mają obecnie większego zastosowania z uwagi na ich nadal krótki czas pracy i często niską sprawność. Charakterystyka wybranych ogniw Ogniwa krzemowe monokrystaliczne Posiadają ciemny jednolity kolor, maja największy udział w rynku. technologia ich produkcji została opisana powyżej. Ogniwa monokrystaliczne mają bardzo wysoką sprawność dochodząca obecnie do 20% i więcej. Osiągają ja jednak tylko w słoneczne, bezchmurne dni. Przy zachmurzeniu ich wydajność bardzo spada. Inną wadą tego typu ogniw jest duży wskaźnik spadku mocy wraz ze wzrostem temperatury wynoszący zwykle od 0,4-0,5%/ºC. Z krzemu monokrystalicznego produkowane są także ogniwa z heterozłączem, które oprócz krzemu monokrystalicznego posiadają także dwie cienkie warstwy krzemu amorficznego (ogniwa typu HIT- Heterojunction with Intrinsic Thin layer). Rozwiązanie takie zapewnia wysoką sprawność dzięki absorbowaniu także światła rozproszonego niskoenergetycznego, występującego w pochmurne dni. Ogniwa typu HIT Moduł Sanyo HIT-N230 zademonstrowany podczas konferencji prasowej Sanyo Electric Solar Division opiera się na wykorzystaniu pojedynczej warstwy monokrystalicznego krzemu typu n, sąsiadującej z bardzo cienkimi warstwami krzemu amorficznego typu n z jednej strony, oraz typu p z drugiej strony. Ogniwa typu Hit ma sprawność na poziomie 22,8% i grubość jedynie 98μm. Tak cienkie ogniowo zmniejsza koszty produkcyjne, czyli główną barierę popularyzacji tej drogi pozyskiwania zielonej energii. Technologia wytwarzania tego typu ogniw pozwala na stosowanie niskich temperatur, co powoduje tylko nieznaczną dyfuzję zanieczyszczeń do płytki bazowej w trakcie napylania poszczególnych warstw. Zaletą ogniw jest dużo wyższa wydajność przy wysokich temperaturach ale również wyższa efektywność przy typowych warunkach pracy. Moduł Sanyo N230 cechuje sprawność, tj. stosunek energii przetworzonej do energii dostarczonej na poziomie 20,7 %. Tak wysoki wynik udało się uzyskać dzięki zwiększeniu liczby połączeń elektrycznych pomiędzy poszczególnymi ogniwami, jednocześnie zmniejszając ich przekrój. Ponadto ogniwa zostały pokryte warstwą srebra, co wpłynęło na zmniejszenie stopnia rozproszenia i odbicia światła. Moduły Sanyo N230 trafiły do sprzedaży detalicznej w Japonii jesienią 2010 roku, a w Europie na początku 2011 roku. Firma Sanyo produkuje ogniwa typu HIT w kształcie klasycznym i zmodernizowanym do kształtu plastra miodu (Honeycomb Design – HD). To ostatnie rozwiązanie pozwala w bardziej wydajny sposób wykorzystać kryształy krzemu. Fot. Wygląd panelu Sanyo HIT H250E01 All Back Contact Innym rozwiązaniem ogniw monokrystalicznych o wysokiej sprawności są ogniwa typu All Back Contact posiadające obie elektrody z tyłu ogniwa. W tego typu ogniwach nie widać na przedniej ściance charakterystycznych nitek elektrod, bowiem obie elektrody umieszczone są na tylnej ściance ogniwa. Pozwala to na większą powierzchnię absorpcji promieniowania i osiąganie sprawności na poziomie ponad 22%. Są to obecnie najwydajniejsze ogniwa fotowoltaiczne w produkcji komercyjnej na świecie. Ich wadą jest skłonność do polaryzacji co prowadzi do degradacji indukowanym napięciem PID (Potential Induced Degradation). Rys. Budowa ogniwa Back kontact. Fot. Wygląd ogniwa po lewej -od tyłu, po prawej od frontu. Ogniwa amorficzne – wykonane są z amorficznego, bezpostaciowego niewykrystalizowanego krzemu dyfundowanego wodorem w il ości 8-12% (a-Si:H). Charakteryzują się niską sprawnością w przedziale 6-8% oraz niską ceną. Produkcja ogniwa polega na nakładaniu cienkich warstw krzemu na szkle, stali nierdzewnej lub tworzywach sztucznych. Zazwyczaj posiadają charakterystyczny lekko bordowy kolor i brak widocznych kryształów krzemu. Są powszechnie stosowane w kalkulatorach. Grubość warstwy krzemu naniesionej na taflę szklaną wynosi tutaj do 2 mikronów. Wydajność amorficznej baterii słonecznej krzemowej zazwyczaj spada w ciągu pierwszych sześciu miesięcy pracy (tzw. efekt Staeblera-Wrońskiego SWE). Spadek ten może wynosić od 10% do 30% w zależności od jakości materiału i konstrukcji urządzenia. Większość tej straty ma wpływ na współczynnik wypełnienia FF, który spada z początkowej wartości 0,7 do 0,6.. Po tym początkowym spadku efekt osiąga równowagę i powoduje niewielką degradację. Poziom równowagi zmienia się wraz z temperaturą roboczą tak, że wydajność modułów w miesiącach letnich nieco poprawia się i ponownie spada w miesiącach zimowych. Większość dostępnych w handlu modułów a-Si ma degradację SWE w zakresie 10-15%, a dostawcy zazwyczaj określają wydajność w oparciu o wydajność po ustabilizowaniu się degradacji SWE. Powoduje to, że „świeżo” zamontowane moduły z krzemu amorficznego generują znacznie wyższe moce w początkowym okresie pracy, co może stanowić problem dla falowników. Problem niskiej sprawności paneli z krzemu amorficznego rozwiązano wprowadzając: – nanokrystaliczny krzem zamiast amorficznego krzemu – pracę w wyższej temperaturze. Można to osiągnąć przez włączenie PV do fotowoltaicznego termicznego hybrydowego kolektora słonecznego (PVT). PVT może pracować w wyższych temperaturach niż w przypadku standardowych PV, poprawia to wydajność o ~ 10%. – konstrukcję wielozłączową, zawierającą materiały ułożone jeden na drugim i absorbujące różne części spektrum promieniowania. Zapewniło to uzyskanie wysokich sprawności 17-24%. Zaletą ogniw amorficznych jest stosunkowo wysoka sprawność w pochmurne dni dzięki absorpcji niskoenergetycznego promieniowania, co zapewnia mały spadek mocy paneli amorficznych w porównaniu do monokrystalicznych przy silnym zachmurzeniu. Ogniwa wielozłączowe Wykonane są z mieszaniny pierwiastków np. miedzi, indu, galu, selenu. W technologii produkcji wykorzystuje się nanoszenie warstwowe. W przypadku ogniw CIGS także metodę przemysłowego druku. W tej technologii moduł PV zbudowany jest najczęściej z jednego dużego ogniwa Sprawność powyższych ogniw wynosi odpowiednio: – moduły CdTe – 12-14% (ostatnie dane z 2016 roku firmy First Solar największego światowego producenta mówią już o średniej sprawności rzędu 16,6%) – moduły CIGS – 13-16% – moduły z krzemu amorficznego a-Si – 6-8% Rys. Budowa ogniwa CIGS. Najlepszym obecnie pod względem sprawności materiałem używanym przy produkcji fotoogniw jest arsenek galu (GaAs), osiągający sprawność na poziomie 35%. Jednakże z powodu bardzo drogich technologii nie ma praktycznego zastosowania w przemyśle, prototypowe instalacje zastosowano tylko w kosmonautyce. Schemat struktury CIGS przedstawiono na rys. obok. Warstwę absorbera otrzymuje się przez termiczne naparowanie z czterech źródeł na pokryte metalem szkło sodowe. Metalizacja ta to tylny kontakt omowy ogniwa, do którego podłączone są przewody odprowadzające prąd i stanowi ją cienka warstwa molibdenu – metalu dającego omowy kontakt z CIGS. Ogniwa barwnikowe (DSC lub DSSC) Należące do tej grupy ogniwa bazują na odwracalnym procesie fotochemicznym. Absorberem jest barwnik (organiczny lub nieorganiczny) dobrze pochłaniający promieniowanie poniżej 900 nm. Między dwoma warstwami z przewodzącego tlenku (TCO) umieszcza się membranę z ditlenku tytanu nasyconą elektrolitem (roztwór jodu i jodku potasu) i barwnik. Molekuła barwnika, absorbując foton, podnosi chwilowo swoją energię (ulega wzbudzeniu) i przekazuje ją ditlenkowi tytanu w postaci swobodnegoelektronu, który transportuje ładunek elektryczny do tylnej elektrody TCO. Barwnik ulega redukcji w reakcji z elektrolitem, który z kolei powraca do stanu wyjściowego, pobierając elektron z przedniej elektrody (TCO domieszkowanej platyną). Ogniwa DSC o takiej budowie osiągają laboratoryjną sprawności na poziomie do 11 proc. (ogniwa Graetzla z barwnikiem na bazie polipirydylowych kompleksów rutenu i osmu). Rys. Budowa ogniwa barwnikowego. Niewątpliwą zaletą ogniw uczulanych barwnikiem jest niewielka wrażliwość na zmianę temperatury, wadą zaś konieczność stosowania ciekłego elektrolitu ograniczającego znacznie ich żywotność. Rozwiązaniem tego problemu może być kompromis w zakresie sprawności i trwałości uzyskiwany przez zastosowanie polimerowego elektrolitu żelowego lub rezygnacja z elektrolitu na rzecz stałego półprzewodnika typu p. Potencjał rozwoju technik realizacji ogniw DSC tkwi w niskich kosztach procesu technologicznego i materiału (głównie absorbera) oraz możliwości zastosowania odnawialnych związków organicznych. Pozwalają na zastosowanie w elementach transparentnych jak szyby wystawowe, świetliki Ogniwa organiczne Oparte są na organicznych materiałach półprzewodnikowych (polimerach, oligomerach, dendrymerach), w których podczas absorpcji promieniowania dochodzi do powstawania ekscytonów – par związanych ze sobą ładunków o przeciwnych biegunach. Proces dysocjacji (rozbicia) ekscytonu uwalnia ładunki i umożliwia ich migrację w kierunku elektrod. Do separacji dochodzi w rejonie styku metal – organiczny półprzewodnik, a także na styku materiału organicznego donorowego i akceptorowego. Ogniwa wykonywane są w technice cienkowarstwowej na podłożach szklanych z przednią elektrodą TCO i tylną aluminiową, pełniącą również funkcję zwierciadła. Absorber organiczny może być realizowany w postaci pojedynczej warstwy polimeru, dwóch warstw różnych polimerów z heterozłączem lub ich mieszaniny (heterozłącze – przestrzenne), a także wielowarstwowo. Sprawności ogniw heterozłączowych wynosi przeciętnie od 0,007 do 1 proc., a w przypadku skomplikowanych struktur wielowarstwowych dochodzi do 5 proc. Najważniejszymi atutami ogniw organicznych są: ich znakomita absorpcja dochodząca do 90 proc. na drodze zaledwie 100 nm, nietoksyczność oraz bardzo niskie koszty produkcji. Największe wady to: złożony proces generacji swobodnych nośników ładunku, wysokie straty wewnętrzne, duże ryzyko uszkodzenia w wysokiej temperaturze i niestabilność parametrów w perspektywie długiego czasu użytkowania. W kraju ogniwa organiczne produkowane są przez firmę Konarka pod nazwą „Power plastic” Fotoogniwa power plastic produkowane są ze specjalnego polimerowego atramentu metodą nadruku. Ich wydajność energetyczna jest mała i nie przekracza 6%, podobnie jest z trwałością, szacowaną na 5 lat (krzemowe do 30 lat). Zaletą rozwiązania jest możliwość wykonania dowolnej struktury ogniwa i umieszczenia go na każdej powierzchni o nietypowym kształcie. Fot. Po lewej Ogniwo Konarka. Ogniwa obustronne To rozwiązanie do wąskiego stosowania, dla barierek, szyb wystawowych, ogrodzeń. Ogniwo obustronne posiada warstwy przednią i tylko do absorbowania energii słonecznej. Zwykle konwersja promieniowania strony przedniej jest wyższa niż tylnej. Ogniwa tego typu pozwalają zagospodarować energię światła odbitego. W szczególnych warunkach (kat padania promieni) zysk z ich zastosowania może sięgać od 5-50%. Największą sprawność uzyskują zwykle tam, gdzie panel ustawiony musi być pod kątem 90 do podłoża, a słońce wykonuje długa wędrówkę po niebie. Rys. Po lewej, ogniow obustronne, budowa. U dołu wygląd pojedynczego ogniwa i przykładowe zastosowanie w szybie wystawowej. Ogniwa wykorzystujące inne zjawiska Trwają badania nad wykorzystaniem w konwersji fotowoltaicznej nanostruktur kwantowych (studnie, druty i kropki kwantowe), które umożliwiłyby absorpcję większej ilość energii niesionej przez strumień światła białego bez strat związanych z występowaniem dla danego materiału maksimum czułości tylko dla promieniowania o określonej długości. Poprzez zmiany wymiarów nanostruktur kwantowych można je uczulać na konkretne długości fal – podobnie jak poprzez zmianę barwnika w ogniwach uczulanych barwnikiem. Przewaga nanostruktur wynika z możliwości jednoczesnego uczulenia ogniwa na kilkanaście, a nawet kilkadziesiąt różnych długości fal. Wytwarzanie struktur kwantowych od kilku do kilkudziesięciu nanometrów jest możliwe tylko przy zastosowaniu bardzo drogich i ściśle kontrolowanych metod epitaksjalnego wzrostu warstw krystalicznych (np. epitaksji z wiązek molekularnych). Koszt może być jednak zniwelowany przez wysoką sprawność ogniw używanych w układzie z koncentratorami. Struktury kwantowe mogą być stosowane zarówno w celu poprawy sprawności krystalicznych ogniw I generacji, jak również w nowych technologiach, np. z elektrolitycznym nośnikiem ładunku. Rys. Budowa ogniwa z kropkami kwantowymi. Na bazie kropek kwantowych zbudowanych jest wiele urządzeń, w tym tranzystory, diody elektroluminescencyjne, lasery, znaczniki medyczne, nośniki leków, ogniwa barwnikowe DSSC (z ang. dye sensitized solar cells). Badacze z LANL oraz UNIMIB zaprojektowali i wykonali tzw. luminescencyjny koncentrator energii promieniowania słonecznego (z ang. luminescent solar concentrator, LSC). Aparatura w formie płyty lub folii polimerowej zawiera centra luminescencyjne, dzięki którym padające promieniowanie słoneczne jest absorbowane. Polimerowa matryca koncentratora pracuje jak światłowód. Ograniczają ją krawędzie, gdzie umieszczone są ogniwa fotowoltaiczne. Zaabsorbowane przez centra (kropki) promieniowanie przesyłane jest do krawędzi koncentratora, gdzie następnie ulega ono konwersji na energię elektryczną. Centra działają jak zbiór pochłaniających światło anten, które skupiają promieniowanie słoneczne zebrane z dużego obszaru na znacznie mniejszą powierzchnię ogniw PV umieszczonych po bokach. Przekłada się to na znaczne zwiększenie intensyfikacji produkcji urządzenie oparte na kropkach kwantowych posiadało wywołane sztucznie, duże oddzielenie pasma absorpcji od pasma emisji (tzw. duże przesunięcie Stokesa). Kropki kwantowe zbudowane były ze struktur selenku kadmu i siarczku kadmu (CdSe/CdS). Absorpcja światła odbywała się przez stosunkowo grubą powłokę z CdS, a emisja następowała dzięki wnętrzu z CdSe. Rozdzielenie funkcji absorpcji i emisji światła między dwoma elementami nanocentrum luminescencyjnego, znacznie zmniejszała straty podczas ponownego wchłaniania promieniowania. Rys. Zasada działania ogniwa z kropkami kwantowymi (Kropki kwantowe absorbują promieniowanie i transportują je przez matrycę z tworzywa sztucznego PMMA do ogniw PV na krawędziach) Tak działające kropki kwantowe umieszczono w przezroczystej polimerowej płycie z polimetakrylanu metylu (PMMA) o wymiarach odpowiadających standardowym szybom. Pomiary spektroskopowe nie wykazały praktycznie żadnych strat podczas przesyłu promieniowania na odległości kilkudziesięciu centymetrów. Ponadto, badania z zastosowaniem symulowanego promieniowania słonecznego dowiodły, że urządzenie posiadało wydajność pochłaniania fotonów na poziomie około 10% (dla oka ludzkiego płyta z kropkami kwantowymi była przezroczysta jak tradycyjna szyba). Perowskity – to materiały o specyficznym ułożeniu siatki krystalicznej. Ich właściwości nie determinuje skład, lecz struktura ułożenia atomów. Nazwę zawdzięczają rosyjskiemu geologowi Lwu Perowskiemu, którego znajomy, Niemiec Gustav Rose, jako pierwszy sklasyfikował ten charakterystyczny układ atomów na podstawie tytanianu wapnia występującego w skałach Uralu. Wydarzyło się to ponad sto lat temu i od tamtej pory wszystko, co ma taki sam układ atomów jak tytanian wapnia, jest nazywane perowskitem. Jak nietrudno się domyślić, jest bardzo dużo różnego typu perowskitów. Jedne występują w naturze (np. w skałach, magmie), inne można wytwarzać w laboratoriach w procesie syntezy chemicznej. Najbardziej interesujące są tzw. perowskity hybrydowe. Oznacza to, że są materiałem po części organicznym, a po części nieorganicznym. Takie połączenie w naturze występuje bardzo rzadko i daje w rezultacie niezwykle unikalne właściwości. Perowskity są świetnymi pochłaniaczami światła. Lepszymi nawet niż dotychczasowy champion arsenek galu, który z kolei jest znacznie lepszy od najbardziej popularnego dzisiaj krzemu. Dzięki temu są w stanie pochłonąć światło w ultracienkich warstwach. Zmniejsza to przynajmniej trzykrotnie zużycie materiału niezbędnego do wyprodukowania takiego ogniwa. Jako że ów materiał wytwarzany jest w procesie syntezy chemicznej z bardzo tanich materiałów startowych, zasoby są, tak jak w przypadku krzemu, teoretycznie nieograniczone. Bardzo praktyczne jest również to, że ogniwa można wytwarzać w procesie mokrej chemii. To znaczy, że na przykład można taki perowskit po prostu nadrukować. Sprawność fotoogniw na bazie perowskitów dochodzi do 20%. Jednak nie to jest najcenniejsze, jest to bowiem materiał, który daje sie nakładać na niemal każdą powierzchnię. Wykorzystując tę technologię niedługo będziemy mogli wykonać fotoogniwo nie tylko na fragmencie dachu ale wręcz na całym dachu. Ogniwem będzie pokryta perowskitem dachówka, czy cała szyba w oknie. Ogniwem może być obudowa laptopa, kadłub jachtu, itp. możliwości są niemal nieograniczone. Rozwojem technologii zajmuje się polska firma Saule Technologies. Rys. Struktura krystaliczna perowskit MWT to skrót od angielskiego wyrażenia Metal Wrap Through (pl. owinięty metalem). Technologia MWT to nic innego jak alternatywna metoda łączenia płytek krzemowych w ogniwach fotowoltaicznych. Najpopularniejsze ogniwa, które wyglądem przypominają kratownicę – jakby poszczególne panele były wmontowane w ramę, podobnie jak szybki w okna ze szprosami – powstają poprzez bezpośrednie nałożenie szynowodów zbiorczych (zwanych busbarami) na warstwę krzemu metodą sitodruku typu H. Taki sposób produkcji ogniw powoduje pewne straty: ponieważ łączenia znajdują się nieco powyżej warstwy krzemowej, ogniwa są częściowo zacienione, wzrasta też poziom rezystancji szeregowej, przez którą panele przesyłają mniejsze ilości energii. W technologii MWT szyny utrzymujące płytki krzemowe przeniesione są pod ogniwa PV i są rozmieszczone dużo gęściej. Na powierzchni panela widzimy jedynie kropki między płytkami. Technologia MWT może być stosowana zarówno w w modułach poli- jak i monokrystalicznych. Jakie są inne zalety zastosowania tej właśnie technologii? rzadkie występowanie korozji lepsze odprowadzanie temperatury z urządzenia brak efektu zacienienia na powierzchni o prawie 3 procent wyższe rezultaty produkcji energii w porównaniu z tradycyjnymi zewnętrznymi busbarami poprawa parametrów paneli PV przy jednoczesnym nieznacznym wzroście ich ceny mniejsze wymagania dotyczące naprężeń, w konsekwencji czego panele są cieńsze i trwalsze większe możliwości recyklingu paneli (ogniwa nie są łączone przez lutowanie, a specjalną folią przewodzącą) niska degradacja w ciągu roku – na poziomie 2% większa żywotność paneli – gwarancja sprawności paneli to ok. 30 lat Co ważne, technologia MWT jest kompatybilna z technologiami HCC (Half Cut Cells), PERC (Passivated Emitter and Rear Cells)czy TOPCon. Inteligentne technologie fotowoltaiczne HCC (ang. Half Cut Cels) to ogniwa cięte na pół. Moduły HCC mają lepszy współczynnik wypełnienia modułu PV i wyższą sprawność modułu o około 1,5-3%. W ogniwie ciętym na pół każdy z szynowodów transportuje prąd o połowę niższy, a spadek oporu elektrycznego powoduje ogólny wzrost wydajności, szczególnie w okresach wysokiego natężenia promieniowania słonecznego. Ta niewielka zmiana konstrukcyjna w postaci zastosowania przeciętych ogniw, pozwala małym nakładem kosztów uzyskać 5-10 Wp mocy więcej z modułu PV i zmniejszyć czterokrotnie straty mocy na linii ogniwo PV – moduł PV. PERC (ang. Passivated Emitter and Rear Cell) totechnologia pasywacji emitera tylnej części ogniwa. Technologia ogniw typu PERC określa konstrukcję ogniwa słonecznego, która różni się – podobnie jak HCC – od budowy standardowego ogniwa, wykorzystywanej przez kilka ostatnich lat. Standardowe ogniwo składa się z takich części jak: górne elektrody ujemne ze srebra (Ag), warstwa antyrefleksyjna, półprzewodnik typu n, wafle krzemowe z domieszką boru, które tworzą złącze typu p-n, półprzewodnik typu p, aluminiowe elektrody dodatnie. Ogniwo typu PERC ma dodatkową warstwę dielektryka, dzięki której zwiększona jest efektywność ogniwa, odbijającego każde światło docierające do dolnej warstwy płytki bez wygenerowania elektronu z powrotem w głąb ogniwa. Poprzez to odbicie, fotony mają drugą szansę na wytworzenie prądu. TOPCon (ang. Tunnel Oxide Passivated Contact) to technologia, która wykorzystuje wyrafinowany schemat pasywacji i obiecuje jeszcze większą poprawę wydajności. Technologia TOPCon najprawdopodobniej zostanie połączona z płytkami monofonicznymi typu n, aby osiągnąć maksymalny przyrost wydajności. Nowe trendy w branży fotowoltaicznej Branża fotowoltaiczna rozwija się w coraz szybszym tempie. Stale unowocześniane linie produkcyjne, nowe technologie, bardziej wymagający klienci oraz ogólnoświatowa orientacja na wykorzystanie odnawialnych źródeł energii sprawiają, że zmniejsza liczbę nowo budowanych elektrowni węglowych lub gazowych, a te już funkcjonujące, są wygaszane. W ich miejsce pojawiają się farmy wiatrowe czy fotowoltaiczne, a inwestorzy indywidualni dążą do uniezależnienia się od zewnętrznych dostawców energii. Nic też dziwnego, że branża fotowoltaiczna stara się oferować coraz to nowsze rozwiązania techniczne, które niską cenę łączyłyby z wysoką wydajnością ogniw PV. Oczywiście szybki rozwój fotowoltaiki wymaga rozwiązań na poziomie ogólnokrajowym. Bez wsparcia ze strony rządów, inwestorzy indywidualni, marzący o przydomowej elektrowni słonecznej czy wiatrowej są właściwie bez szans – w grę wchodzą oczywiście względy ekonomiczne. Czas na inwestowanie w energię słoneczną Uważa się, że jeśli koszt wytworzenia energii elektrycznej z energii słonecznej minus FiT (Feed-in-tariff czyli taryfa gwarantowana przez rząd) jest niższy niż koszt energii elektrycznej z paliw kopalnych, wówczas powinniśmy inwestować w energię słoneczną. Ten moment właśnie nadszedł, dlatego wiodący producenci modułów PV co roku rozszerzają swoją produkcję, aby zaspokoić potrzeby rynku światowego i zaskoczyć klientów nowymi inteligentnymi rozwiązaniami. Opisane wyżej technologie MWT, HCC, PERC oraz TOPCon to właśnie przykłady takich inteligentnych rozwiązań na miarę XXI wieku.

płytki krzemowe do ogniw słonecznych