> Aktualności > Wiadomości Firmowe

Co to jest fotowoltaika?

2022-12-22

Fotowoltaika to bezpośrednia konwersja światła na energię elektryczną na poziomie atomowym. Niektóre materiały wykazują właściwość zwaną efektem fotoelektrycznym, która powoduje, że absorbują fotony światła i uwalniają elektrony. Kiedy te wolne elektrony zostaną przechwycone, powstaje prąd elektryczny, który można wykorzystać jako elektryczność.

Efekt fotoelektryczny został po raz pierwszy zauważony przez francuskiego fizyka Edmunda Bequerela w 1839 r., który odkrył, że niektóre materiały wytwarzają niewielkie ilości prądu elektrycznego pod wpływem światła. W 1905 roku 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 reklamowany jako bateria słoneczna i był głównie ciekawostką, ponieważ był zbyt drogi, aby mógł być powszechnie używany. W latach sześćdziesiątych przemysł kosmiczny zaczął po raz pierwszy poważnie wykorzystywać tę technologię do dostarczania energii na pokładach statków kosmicznych. Dzięki programom kosmicznym technologia rozwinęła się, ustalono jej niezawodność, a koszty zaczęły spadać. Podczas kryzysu energetycznego w latach 70. technologia fotowoltaiczna zyskała uznanie jako źródło energii dla zastosowań pozakosmicznych.

Powyższy schemat ilustruje działanie podstawowego ogniwa fotowoltaicznego, zwanego również ogniwem słonecznym. Ogniwa słoneczne są wykonane z tego samego rodzaju materiałów półprzewodnikowych, jak krzem, stosowanych w przemyśle mikroelektronicznym. W przypadku ogniw słonecznych cienka płytka półprzewodnikowa jest poddawana specjalnej obróbce w celu wytworzenia pola elektrycznego, dodatniego z jednej strony i ujemnego z drugiej. Kiedy energia świetlna uderza w ogniwo słoneczne, elektrony są wybijane z atomów w materiale półprzewodnikowym. Jeśli przewodniki elektryczne są przymocowane do dodatniej i ujemnej strony, tworząc obwód elektryczny, elektrony mogą zostać przechwycone w postaci prądu elektrycznego, czyli elektryczności. Ta energia elektryczna może być następnie wykorzystana do zasilania obciążenia, takiego jak światło lub narzędzie.

Szereg ogniw słonecznych połączonych ze sobą elektrycznie i zamontowanych w konstrukcji nośnej lub ramie nazywa się modułem fotowoltaicznym. Moduły są przeznaczone do dostarczania energii elektrycznej o określonym napięciu, takim jak wspólny system 12 woltów. Wytwarzany prąd jest bezpośrednio zależny od ilości światła padającego na moduł.

Obecnie najpopularniejsze urządzenia fotowoltaiczne wykorzystują pojedyncze złącze lub interfejs do wytworzenia pola elektrycznego w półprzewodniku, takim jak ogniwo fotowoltaiczne. W jednozłączowym ogniwie fotowoltaicznym tylko fotony, których energia jest równa lub większa niż pasmo wzbronione materiału ogniwa, mogą uwolnić elektron do obwodu elektrycznego. Innymi słowy, odpowiedź fotowoltaiczna ogniw jednozłączowych jest ograniczona do części widma słonecznego, której energia jest powyżej pasma wzbronionego materiału pochłaniającego, a fotony o niższej energii nie są wykorzystywane.

Jednym ze sposobów obejścia tego ograniczenia jest użycie dwóch (lub więcej) różnych ogniw z więcej niż jednym pasmem wzbronionym i więcej niż jednym złączem do generowania napięcia. Są one określane jako komórki „wielozłączowe” (zwane również komórkami „kaskadowymi” lub „tandemowymi”). Urządzenia wielozłączowe mogą osiągnąć wyższą całkowitą wydajność konwersji, ponieważ mogą przetwarzać więcej widma energetycznego światła na energię elektryczną.

Jak pokazano poniżej, urządzenie wielozłączowe to stos pojedynczych komórek jednozłączowych w malejącej kolejności pasma wzbronionego (Eg). Górna komórka wychwytuje fotony o wysokiej energii i przekazuje resztę fotonów, aby zostały wchłonięte przez komórki o niższym paśmie wzbronionym.

Wiele dzisiejszych badań nad komórkami wielozłączowymi koncentruje się na arsenku galu jako jednym (lub wszystkich) ogniwach składowych. Takie ogniwa osiągnęły wydajność około 35% w skoncentrowanym świetle słonecznym. Inne badane materiały na urządzenia wielozłączowe to amorficzny krzem i diselenek miedziowo-indowy.

Jako przykład, poniższe urządzenie wielozłączowe wykorzystuje górne ogniwo z fosforku galu i indu, „połączenie tunelowe”, aby wspomóc przepływ elektronów między ogniwami, oraz dolne ogniwo z arsenku galu.

Poprzedni:Dlaczego warto postawić na fotowoltaikę?

Następny:Co to jest skrzynka łącząca w systemie solarnym?