Jak działają panele i ogniwa fotowoltaiczne?

Cena pozyskiwania energii słonecznej uległa w ostatnim czasie znacznemu obniżeniu. Stało się tak między innymi za sprawą wzrostu wydajności i spadku kosztów produkcji paneli fotowoltaicznych. To powód dla którego wielu inwestorów zaczyna postrzegać energię słoneczną jako realne rozwiązanie alternatywne dla powszechnej w naszym kraju, drogiej i nieekologicznej energii z elektrowni węglowych.

Zainteresowanie instalacjami fotowoltaicznymi wzrasta praktycznie z każdym miesiącem, dlatego coraz częściej słyszy się pytanie: jak to właściwie działa? Jak działają panele fotowoltaiczne? Postaramy się przedstawić tu sposób w jaki panele słoneczne wytwarzają lub mogą wytwarzać energię dla Twojego domu.

Panele słoneczne – jak działają?

Panele fotowoltaiczne (zwane też modułami fotowoltaicznymi, słonecznymi lub solarnymi) zbudowane są z wielu mniejszych jednostek zwanych ogniwami fotowoltaicznymi. Na jeden panel składa się wiele połączonych ze sobą ogniw.

Właściwie wszystkie ogniwa słoneczne mają podobną budowę i działają w oparciu o te same zjawiska fizyczne. Ogniwo fotowoltaiczne składa się z wielu warstw materiałów, z których każda spełnia istotną rolę w procesie zamiany promieniowania słonecznego w energie elektryczną. Najważniejszą warstwą ogniwa fotowoltaicznego jest warstwa półprzewodnikowa. Składa się ona z dwóch odrębnych warstw (warstwa typu p zawierająca domieszkę dającą nadmiar elektronów i warstwa typu n zawierająca domieszkę dającą niedobór elektronów) zbudowanych na bazie krzemu monokrystalicznego lub polikrystalicznego.

Krzem (pierwiastek o liczbie atomowej 14 w układzie okresowym) jest półprzewodnikiem – niemetalem o właściwościach przewodzących, który pozwala na pochłanianie i zamianę światła słonecznego na energię elektryczną. Pod wpływem działania promieni słonecznych, elektrony znajdujące się w krysztale krzemu zostają wzbudzone, przechodzą na wyższy poziom energetyczny i zostają wybite. Na skutek ich przemieszczania się pomiędzy elektrodami, powstaje różnica potencjałów, a tym samym stały prąd elektryczny. Proces ten jest znany jako „efekt fotowoltaiczny”.

Efekt fotowoltaiczny (zjawisko fotowoltaiczne): zjawisko fizyczne polegające na powstaniu siły elektromotorycznej w ciele stałym pod wpływem promieniowania świetlnego. W związku z tym należy do zjawisk fotoelektrycznych wewnętrznych. Zjawisko fotowoltaiczne jako pierwszy zauważył w roku 1839 Aleksander Edmund Becquerel.

Po obu stronach półprzewodnika znajduje się warstwa materiału przewodzącego, który „zbiera” wytworzoną energię elektryczną. Ostatnią warstwą, która jest nakładana tylko na bezpośrednio oświetlaną słonecznymi promieniami stronę ogniwa, jest powłoka antyrefleksyjna. Ponieważ wszystkie półprzewodniki są naturalnie odblaskowe, straty w wyniku odbicia mogą być znaczne. Rozwiązaniem jest zastosowanie jednej lub kilku warstw powłoki antyrefleksyjnej (przeciwodblaskowej) w celu zmniejszenia ilości promieniowania słonecznego, które odbija się od powierzchni ogniwa. Warstwa przeciwodblaskowa to zazwyczaj tlenek krzemu, tantalu lub tytanu, który powstaje na powierzchni ogniwa w wyniku powlekania wirowego lub techniki osadzania próżniowego.

Ogniwa fotowoltaiczne pochłaniają energię słoneczną i zamieniają ją na prąd stały. Jednak by móc z niej korzystać w naszym domu musi ona zostać przekształcona w prąd zmienny. Falownik solarny konwertuje prąd stały z modułów słonecznych na prąd zmienny, który jest używany przez większość urządzeń domowych. Nadmiar energii elektrycznej wytwarzanej przez panele słoneczne jest wprowadzany do zewnętrznej sieci energetycznej.

Rodzaje najczęściej stosowanych ogniw fotowoltaicznych

Obecnie na rynku stosuje się głównie dwa rodzaje ogniw fotowoltaicznych – ogniwa monokrystaliczne i ich tańsze w produkcji odpowiedniki – ogniwa polikrystaliczne.

Ogniwa monokrystaliczne

Panele słoneczne oparte na ogniwach monokrystalicznych, dzięki swym zaletom dającym niewątpliwą przewagę nad ich polikrystalicznymi odpowiednikami, są powszechnie uważane za produkt solarny klasy premium. Głównymi zaletami paneli monokrystalicznych są wyższa wydajność i atrakcyjniejsza estetyka w stosunku do ogniw polikrystalicznych.

Do produkcji ogniw fotowoltaicznych dla monokrystalicznych paneli słonecznych, krzem jest formowany w pręty, a następnie cięty na płytki (tak zwane wafle krzemowe). Tego typu panele nazywane są „monokrystalicznymi”, co oznacza, że stosowany krzem jest krzemem jednokrystalicznym. Ponieważ ogniwo składa się z pojedynczego kryształu, elektrony, które generują przepływ prądu elektrycznego, mają więcej miejsca do poruszania się. W rezultacie, panele monokrystaliczne są bardziej wydajne niż ich odpowiedniki polikrystaliczne.

Ogniwa polikrystaliczne

Panele słoneczne skonstruowane w oparciu o ogniwa polikrystaliczne mają mniejszą wydajność niż te, zbudowane z użyciem ogniw monokrystalicznych, ale ich niepodważalna zaletą zaletą pozostaje niższa cena. Ponadto, polikrystaliczne panele słoneczne mają zwykle niebieski odcień zamiast czarnego, jednolitego koloru paneli monokrystalicznych.

Ogniwa polikrystaliczne są również wykonane z krzemu. Jednak w zamian pojedynczego kryształu krzemu, producenci topią wiele drobnych fragmentów krzemu razem, dopiero z nich tworząc płytki dla panelu. Polikrystaliczne panele słoneczne są również nazywane wielokrystalicznymi. Ponieważ w każdej komórce znajduje się wiele kryształów, elektrony mają mniejszą swobodę ruchu. W rezultacie, polikrystaliczne panele słoneczne mają mniejszą wydajność niż panele monokrystaliczne.

Wydajność paneli fotowoltaicznych

Co decyduje o wydajności paneli fotowoltaicznych? Istnieje kilka czynników, które decydują o tym, jaka jest wydajność panelu słonecznego. Z grubsza jego sprawność zależy od tego, ile światła słonecznego docierającego do niego może zmienić się w energię elektryczną. Ale co decyduje o tym, jaki jest współczynnik konwersji? Istnieje kilka czynników, które naukowcy i producenci ogniw słonecznych biorą pod uwagę przy projektowaniu i produkcji wydajnych paneli słonecznych:

1. Materiał ogniw – rodzaj materiału (krzem monokrystaliczny, krzem polikrystaliczny) ma wpływ na sposób, w jaki światło zamienia się w energię elektryczną i wydajność tego procesu.
2. Sposób połączeń i organizacja przewodów łączących poszczególne ogniwa fotowoltaiczne, które faktycznie wychwytują i przekazują energię elektryczną, wpływa na efektywność energetyczną.
3. Albedo – stopień odbicia promieni słonecznych – jeśli światło jest odbijane od panelu słonecznego (od zabezpieczającej warstwy hartowanego szkła), skuteczność modułu będzie obniżona.
4. Zdolność pochłaniania światła po obu stronach ogniwa (dwuwarstwowe panele słoneczne) oraz zdolność do pochłaniania światła o zmiennej długości fali.
5. Odporność paneli na spadek wydajności spowodowany wzrostem temperatury ogniw fotowoltaicznych. Im wyższa temperatura panelu tym mniejsza wydajność, a co za tym idzie, mniejsza ilość produkowanego prądu.

Większość paneli słonecznych ma wydajność od 15% do 20%. Wysokiej jakości moduły fotowoltaiczne mogą w niektórych przypadkach przekroczyć 22% sprawności, jednak większość dostępnych paneli fotowoltaicznych nie przekracza 20% sprawności.

Czy i dlaczego wydajność paneli ma znaczenie?

Wiele osób wciąż sądzi, że sprawność jest tym kryterium na które należy położyć największy nacisk przy wyborze panelu słonecznego. Jednak najważniejsza jest jakość wykonania, która jest związana z rzeczywistą wydajnością, niezawodnością, serwisem producenta i warunkami gwarancji.

Z perspektywy ochrony środowiska zwiększona wydajność oznacza, że panel słoneczny zwróci zawartą w nim energię (energię wykorzystywaną do wydobycia surowców i produkcji panelu słonecznego) w krótszym czasie. W oparciu o szczegółową analizę cyklu życia, większość paneli słonecznych na bazie krzemu spłaca energię wbudowaną już po około 2 latach. Jednakże wraz z technologicznym postępem i wzrostem wydajności paneli nawet powyżej 22%, koszty inwestycji w zieloną energię mogą zwrócić się w czasie krótszym niż 2 lata. Większa wydajność oznacza również, że instalacja fotowoltaiczna będzie produkowała więcej energii elektrycznej w ciągu około 25 lat eksploatacji panelu słonecznego i szybciej spłaci koszty początkowe, a to z kolei znaczy, że okres zwrotu z inwestycji skróci się jeszcze bardziej.

Czy najwydajniejsze moduły fotowoltaiczne są zawsze najlepszym wyborem?

Cena zakupu wydajniejszych modułów solarnych jest zwykle wyższa. Zanim zapadnie decyzja o zakupie paneli droższych, dobrze jest wziąć pod uwagę powierzchnię dachu. W przypadku, gdy miejsca na instalacje jest tam wystarczająco dużo, tańsze, mniej wydajne moduły w większej ilości mogą być bardziej opłacalne. Jednakże, jeśli tej przestrzeni jest zbyt mało, najrozsądniej będzie zmaksymalizować efekt poprzez montaż najbardziej wydajnych modułów paneli i uzyskać więcej mocy z mniejszej ich ilości.