Budowa i zasada działania fotoogniw (PV)


Efekt fotowoltaiczny – to zjawisko polegające na powstaniu siły elektromotorycznej w ciele stałym pod wpływem promieniowania słonecznego. Efekt fotowoltaiczny jest wykorzystywany w ogniwach fotowoltaicznych, urządzeniach, które produkują energię elektryczną bezpośrednio z promieniowania słonecznego.

Ogniwa fotowoltaiczne łączone są w grupy i zabezpieczane przed zniszczeniem i warunkami atmosferycznymi. Zazwyczaj kilka lub kilkanaście połączonych ogniw tworzy panel (moduł) fotowoltaiczny. Z kolei panele fotowoltaiczne łączone są ze sobą i mocowane na dachu lub konstrukcji wsporczej obok budynku tworząc instalację fotowoltaiczną.

  1. Budowa i zasada działania ogniw krzemowych Półprzewodniki, np. krzem, są to materiały, które w odpowiednich warunkach, posiadają zdolność przewodzenia prądu. Istota przewodnictwa w półprzewodnikach, polega na przemieszczaniu ładunków elektrycznych w sieci krystalicznej, pod wpływem pola elektrycznego lub cieplnych drgań sieci krystalicznej (m.in. dzięki energii słonecznej). Półprzewodniki zawierające domieszkę np. arsenu As, która powoduje pojawienie się na powłoce walencyjnej elektronu swobodnego, nazywa się typu n (negative – ujemny). Jeżeli do półprzewodnika wprowadzi się niewielką ilość np. glinu Al, to otrzymamy w nim nadmiar dziur (ładunek dodatni) na powłoce walencyjnej i nosił będzie nazwę półprzewodnika typu p (positive – dodatni). Płytki krzemu typu n i p dosunięte do siebie tworzą złącze p-n W złączu p-n w miejscu styku, istnieje wewnętrzne pole elektryczne zwane barierą potencjałów lub obszarem ładunku przestrzennego. Pole to wytwarzają, zgromadzone po obu stronach granicy warstw, ładunki elektryczne o przeciwnym znaku do nośników większościowych warstwy. Przy oświetleniu złącza p-n, fotony o energii większej od szerokości przerwy energetycznej półprzewodnika, generują w złączu pary elektron-dziura. Nowo powstałe nośni ki ładunku elektrycznego, ulegają jednak głównie rekombinacji. W efekcie tego zjawiska wydziela się ciepło. Aby powstało zjawisko fotowoltaiczne, potrzebne jest rozdzielenie tych par, za nim się połączą (ulegną rekombinacji). Aby zjawisko to nastąpiło, konieczne jest występowanie wewnętrznego pola elektrycznego. Tak silne pole elektryczne, dzięki ładunkowi przestrzennemu, istnieje w obszarze złącza p-n. W polu tym, przemieszczają się nadmiarowe elektrony z półprzewodnika typu p do typu n i dziury z półprzewodnika typu n do p, co powoduje rozdzielenie generowanych par elektron – dziura. Rozdzielone nośniki mniejszościowe z jednej strony złącza, stają się nośnikami większościowymi z nieskończonym czasem życia po drugiej stronie, wytwarzając różnicę potencjałów Po zamknięciu obwodu elektrycznego płynie w nim prąd. Zjawisko to zależy m.in. od mocy padającego promieniowania. Elementy wykorzystujące zjawisko fotowoltaiczne nie wymagają dodatkowego zasilania, ponieważ same wytwarzają siłę elektromotoryczną. Są one przetwornikami generacyjnymi, reagującymi na promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie widzialnym lub pod czerwonym. Przekształca- ją one energię tego promieniowania w energię elektryczną.
  2. Podział ogniw PV Fotoogniwa dzielimy m.in. na: – krzemowe – wykonane są w technologiach monokrystalicznej lub polikrystalicznej. Są one obecnie najczęściej używane. Ich sprawność wynosi ok. 17%. – cienkowarstwowe – wykonane są z cienkich warstw materiału fotowoltaiczne go (np. amorficzny krzem, CdTe (tellurku kadmu); CIGS (miedzi, indu, galu selenu), naniesionych na podłoże. Ich sprawność wynosi ok. 13%. – wielozłączowe – wykonane są z wielu cienkich warstw, które mają dopasowaną szerokość przerwy zabronionej do konkretnego zakresu promieniowania słonecznego. Do produkcji używa się indu, germanu, galu i arsenu. Ogniwa tego typu osiągają sprawność ok. 20%. – organiczne – wykonane z materiałów organicznych, umieszczonych pomiędzy górną elektrodą, zrobioną z przeźroczystego materiału (ITO) a dolną, wykonaną z metalu lub polimeru. Wydajność ogniw organicznych wynosi ok. 5%.
    1. Ogniwa z krzemu monolitycznego
      Ogniwo monokrystaliczne – wykonane jest z jednego monolitycznego kryształu krzemu. Charakteryzuje się wysoką sprawnością zazwyczaj 18-22% oraz wysoką ceną. Posiada charakterystyczny ciemny kolor.

      Ogniwo polikrystaliczne wykonane jest z wykrystalizowanego krzemu. Charakteryzuje się sprawnością w przedziale 14-18% oraz umiarkowaną ceną. Zazwyczaj posiada charakterystyczny niebieski kolor i wyraźnie zarysowane kryształy krzemu.

      Ogniwo amorficzne wykonane jest z amorficznego, bezpostaciowego niewykrystalizowanego krzemu. Charakteryzuje się niską sprawnością w przedziale 6-10% oraz niską ceną. Zazwyczaj posiada charakterystyczny lekko bordowy kolor i brak widocznych kryształów krzemu.

      Budowa fotoogniwa
      W przyrodzie krzem krystaliczny nie występuje. Otrzymuje się go poprzez wy- ciąganie zarodzi monokrystalicznej, z ciekłego krzemu z dodatkiem boru. Taki monokryształ, formowany jest w walec, a następnie pocięty zostaje laserowo na płytki (typu p -) o grubości ok. 0,30 mm i promieniu od kilku do kilkunastu centymetrów. Tego typu technologia nazywana jest grubowarstwową. W cienkiej warstwie powierzchniowej drugiej płytki, wytwarza się przez dyfuzję fosforu obszar typu n +. Położenie obszaru złącza p-n jest istotne, ponieważ generacja par elektron – dziura i separacja nośników ładunku, zachodzi właśnie w złączu p-n. Jeśli obszar ten znajdowałby się za blisko powierzchni, to prawie cały strumień światła, zostałby zaabsorbowany dopiero po przejściu przez obszar złącza, co zdecydowanie niekorzystnie wpłynęłoby na obniżenie sprawności konwersji. Z uwagi na to, że od płytki krzemowej następuje odbicie promieni słonecznych (ok. 40%), aby temu zjawisku zapobiec, osadza się na aktywną powierzchnię krzemu, przeźroczystą warstwę przeciwodblaskową. Powoduje to, zwiększenie sprawności ogniwa. Innym sposobem zmniejszającym odbicia światła jest teksturowanie ogniwa – zmiana struktury powierzchni, która przyczynia się do korzystnej zmiany: barwy światła odbitego, rozproszonego, stopnia przezroczystości, współczynnika załamania światła. Kolejnym sposobem jest zastosowanie powierzchni selektywnej, odbijającej niepożądaną część padającego światła, czyli tej części widma, którego energia nie pozwala na wytworzenie pary elektron-dziura. Od góry i od dołu komórki, doklejane są metalizowane elektrody. Powierzchnia elektrody górnej jest ok. 10 razy mniejsza niż dolnej. Tylną elektrodę pokrywa się warstwą metalizowaną, która spełnia rolę lustra odblaskowego, co powoduje wydłużenie efektywnej drogi, na której następuje absorpcja fotonów w krzemie. W celu osiągnięcia wyższych parametrów złącza, wykonuje się dodatkowo dyfundowanie półprzewodnika bazowego typu p, wytwarzając złącze typu p-p+, wraz z obszarem występowania pola elektrycznego tylnej powierzchni ogniwa.[58] Typowe wymiary komórki ogniwa „silver” wynoszą np. 100 mm x 1 mm. Wartość generowanego napięcia wynosi ok. 0,5 – 0,6 V. Aby ogniwo osiągnęło napięcie 24 V i odpowiedni prąd w jednym ogniwie montuje się 48 komórek. 36 ogniw połączonych taśmą Al, tworzy moduł. Moduły łączy się ze sobą szeregowo-równolegle, powstaje panel „solar panel” fotowoltaiczny. Napięcie panelu maksymalnie może wynosić ok. 800 V. Wytrzymałość mechaniczna panelu wynosi ok. 245 kg/m2 Na produkcję panelu o mocy ok. 100 W (wymiary 1 m x 1 m) zużywa się ok. 1 kg krzemu. Moduł posiada charakterystyczny kształt z zaokrąglonymi narożnika- mi. Udział w światowym rynku tego typu fotoogniw w 2014 r., wyniósł ok. 32%. Krzemowe fotoogniwa monokrystaliczne są najdroższe, osiągają jednak najwyższą wydajność w seryjnej produkcji – ok. 17%

       

      Technologia wytwarzania fotoogniwa

      Polega ona na nałożeniu płytki krzemowej na podłoże i wytrawieniu górnych powierzchni ogniw złącza. Proces ten nosi nazwę teksturowania. Podlegają mu sto- stosunkowo szybko, wszystkie płaszczyzny kryształu z wyjątkiem płaszczyzny, która ma pozostać niewytrawiona. Użyte środki trawiące, tworzą głębokie i wąskie rowki w pokrytej maską płytce krzemowej o orientacji kryształu takiej, że płaszczyzna nie- wytrawiona jest prostopadła do powierzchni płytki, rys. 7.1. Po wytrawieniu płytki, powstaje duża liczba pasków cienkiego krzemu o przewodnictwie typu p (rys. 7.1.). Przy zastosowaniu płytki o grubości 1 mm i bokach 150 x 100 mm uzyskuje się ok. 100 komórek, o długości 100 mm, szerokości 1 mm i grubości 50–65 μm. Następny etap produkcji obejmuje przymocowywanie elektrod, łączenie szeregowo-równoległe złączy p-n oraz nakładanie warstwy antyrefleksyjnej i specjalnej po włoki ochronnej. Ogniwa o wymiarach ok. 15 x 15 cm (parametrach max.: P = 3,5 W, U = 1 V, I = 3,5 A), układa się obok siebie w pasma (strings), zaciski prądowe, łączy się ze sobą lutując je. Ilość pasm decyduje o mocy i wielkości fotoogniwa. Następnym procesem jest umieszczenie ogniw między folią EVA, a laminatem.

      Większość modułów jest hermetyzowana (szczelnie zamykana), przy użyciu folii organicznej EVA (etylen z octanem winylu). W najnowszych rozwiązaniach technicznych ogniwa połączone wcześniej elektrycznie, umieszczane są między dwiema warstwami cienkiej folii EVA, co przyczynia się do zwiększenia odporności na oddziaływanie czynników klimatyczno-mechanicznych. Ogniwa krzemowe są wciśnięte między dwie warstwy hermetycznego oraz plastycznego kopolimeru EVA. Tylna zewnętrzna warstwa, nazywana podłożem, jest np. folią (laminatem). W wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem fotoogniwo zostaje przyklejone do laminatu. Zamyka ona moduł, zapobiegając działaniu wilgoci, a także korozji połączeń elektrycznych, rys. 7.5. Dzięki temu, ogniwa słoneczne są hermetycznie zamknięte na dziesiątki lat (gwarancja ok. 25 lat). Gotowy moduł umieszczany jest w aluminiowej ramce. Końcowym etapem produkcji fotoogniw są ich badania; m.in. test wysokiego napięcia oraz po miar rezystancji izolacji, między obwodami prądowymi fotoogniwa i metalową pod stawą modułu. W symulowanych warunkach oświetlenia słonecznego mierzona jest również moc modułów. Moduł, który pozytywnie przeszedł ten test, otrzymuje numer seryjny, wraz ze wszystkimi parametrami technicznymi. Panele krzemowe powinny mieć certyfikat IEC 61215:2005, który jest potwierdzeniem spełnienia normy PN-EN61215:2005 (Moduły fotowoltaiczne PV z krzemu krystalicznego do zastosowań naziemnych).

    2. Ogniwa polikrystaliczneBudowa fotoogniwa
      Materiałem wyjściowym do produkcji komórek polikrystalicznych (wielokrystalicznych) jest blok krzemu, uformowany w piecu w wyniku procesów topnienia i krystalizacji ukierunkowanej. Procesom tym towarzyszy etap wprowadzania domieszek. Blok jest następnie dzielony na bryły, które po obróbce i selekcji, są cięte na kwadratowe płytki o grubości mniejszej od 0,2 mm. W trakcie cięcia, za pomocą lasera, są jednocześnie szlifowane po- wierzchnie płytek. Dalsza obróbka płytek jest złożona z wielu etapów i obejmuje m.in.: – szlifowanie, uwidaczniające strukturę krystaliczną; – nałożenie elektrod metalizowanych metodą serigrafii (techniki druku sitowe go); – nałożenie warstwy antyrefleksyjnej, zwiększającej ilość zaabsorbowanego światła. Ogniwa polikrystaliczne posiadają mniejszą sprawność (ok. 16%), w stosunku do ogniw z krzemu monolitycznego (ok. 17%), lecz koszt ich produkcji jest znacznie mniejszy i mniej energochłonny, przez co równoważy stosunek ceny modułów do ich sprawności. Zazwyczaj posiadają charakterystyczny niebieski kolor i wyraźnie zarysowane kryształy krzemu. Ogniwa polikrystaliczne osiągnęły w 2014 r. na świecie udział w rynku fotoogniw ok. 55%.Rozwiązania konstrukcyjne fotomodułów płaskich polikrystalicznychTo wysokiej jakości fotoogniwa dla za stosowań profesjonalnych i domowych. Wszystkie baterie są zbudowane z krzemu polikrystalicznego w obudowie z aluminium. Fotoogniwa pokrywa specjalne hartowane szkło solarne o zwiększonej przepuszczalności promieni słonecznych. Mogą być stosowane pojedynczo, jak i łączone w baterie na napięcie do 1 kV. Łatwy montaż i podłączenie fotoogniw zapewnia system łączeń Procharger-S Junction box, będący elementem ich wyposażenia. Typowe zastosowania: oświetlenie znaków drogowych, ogrodów oraz instalacje zawodowo produkujące energię elektryczną na potrzeby własne lub do sprzedaży.
    3. Badanie modułów fotowoltaicznych
      Parametrem wyjściowym modułów PV jest ich moc maksymalna w watach (Wp). Moc elektryczną modułów podaje się dla standardowych warunków atmosferycznych STC (Standard Test Conditions), które zakładają: – nasłonecznienie 1000 W/m2; – temperaturę ogniw oświetlanego panelu + 25°C; – spektrum promieniowania dla gęstości atmosfery 1,5 (AM 1,5). Wyznaczenie wielkości mocy maksymalnej modułu odbywa się w warunkach laboratoryjnych. Specjalny rodzaj oświetlenia posiada rozkład promieniowania zbliżony do słonecznego. Pozostałe parametry pomiarowe są w warunkach laboratoryjnych stosunkowo proste do uzyskania. Moduły fotowoltaiczne pracują na dachach w różnych warunkach nasłonecznienia. Ilość energii docierająca do modułów w zależności od pory roku, szerokości Rys. 7.32. Pomiar temperatury fotoogniw kamerą termowizyjną geograficznej, stopnia czystości atmosfery, zachmurzenia, itp. jest bardzo różna, naj- częściej niższa niż 1000 W/m2 Jest również rzeczą oczywistą, że moduł fotowoltaiczny pochłaniający promieniowanie słoneczne nagrzewa się. Temperatura panująca na powierzchni modułu może osiągać wartości wynoszące nawet ok. 60°C. Wniosek jest oczywisty – warunki STC dla modułu fotowoltaicznego są spełnione tylko w niewielkim przedziale czasowym jego pracy. Stąd oznaczenie jego mocy – wat pik. Dlatego bardziej obiektywne będą parametry paneli podawane dla warunków NOCT (Normal Operating Cell Temperature – temperatura ogniwa w nominalnych warunkach pracy). Warunki te są następujące: – nasłonecznienie 800 W/m2; – temperatura otoczenia oświetlanego panelu +20°C; – spektrum promieniowania dla gęstości atmosfery 1,5 (AM 1,5); – prędkość wiatru 1 m/s. Standard ten odzwierciedla w większym stopniu warunki w jakich faktycznie moduły fotowoltaiczne będą pracować oraz parametry jakie będą osiągać. Dlatego przy porównywaniu różnych modułów fotowoltaicznych bardziej istotnymi są para- metry podawane przez producentów dla NOCT niż dla STC.