Po raz pierwszy efekt fotowoltaiczny zaobserwował A.C. Becquerel w 1839 r. Zjawisko fotoelektryczne polega na emisji elektronów z powierzchni przedmiotu. Nośniki ładunku w zjawisku fotoelektrycznym wewnętrznym są przenoszone pomiędzy pasmami energetycznymi na skutek naświetlenia promieniowaniem elektromagnetycznym o odpowiedniej częstotliwości, zależnej od rodzaju przedmiotu. Energia kinetyczna fotoelektronów nie zależy więc od natężenia światła, tylko od częstotliwości. Dzięki odkryciu oraz wyjaśnieniu efektu fotoelektrycznego doszło do rozwoju teorii korpuskularno-falowej materii, która przypisuje własności falowe, jak i materialne obiektom z „mikroświata”.
Od tego czasu, w mniejszym lub większym stopniu, wykorzystywano ogniwa do różnych, na ogół marginalnych celów. Rozwijała się fotowoltaika (PV) jako dziedzina techniki, dzięki której możliwa jest bezpośrednia przemiana energii promieniowania świetlnego w energię elektryczną. Umożliwia ona produkcję stałego prądu elektrycznego (DC) za pomocą elementów półprzewodnikowych jakimi są ogniwa fotowoltaiczne.
Źródło energii dla fotowoltaiki jest w zasadzie nieskończone, a urządzenia przetwarzające ją w prąd nie emitują szkodliwych gazów do atmosfery ziemskiej, hałasu ani odpadów radioaktywnych. Charakteryzują się bardzo niskimi kosztami eksploatacji oraz wysoką trwałością. Moduły fotowoltaiczne posiadają szacunkową żywotność na poziomie 25 lat. Instalacja systemu jest modułowa i łatwa.
Fotowoltaika posiada szerokie spektrum zastosowań, poczynając od kalkulatora leżącego na biurku przez instalację na budynku mieszkalnym, kończąc na satelicie w przestrzeni kosmicznej. Nie wymaga przesyłania energii na duże odległości i dzięki temu jej nie traci. Jest to również energia bezpieczna. Dobrze zaprojektowany system nie doprowadzi podczas awarii do skażenia środowiska ani nie narazi na niebezpieczeństwo życia i zdrowia ludzi przebywających w jego pobliżu. Powierzchnia zajmowana przez system jest uzależniona jedynie od tego, jakie jest zapotrzebowanie na wytworzoną energię.
Przy tych wszystkich zaletach występują też wady. Najważniejsza to brak produkcji prądu w nocy, kiedy nie ma dostępu do światła. Kolejną są nadal stosunkowo wysokie koszty instalacji (malejące jednak z roku na rok) i magazynowania energii. Odnotować należy także potencjalne zagrożenia dla środowiska opisane dalej.
Podstawową kwestią jest konwersja (przemiana) energii promienistej w elektryczną. Zazwyczaj w urządzeniach, systemach konwersji, występuje kilka etapów. Bardzo istotna jest tu sprawność, czyli wielkość fizyczna określająca, w jakim stopniu urządzenie lub proces przekształca energię z jednej postaci w drugą. Określenie optymalnego kąta nachylenia systemu jest niezwykle ważnym elementem procesu projektowania instalacji fotowoltaicznej. Przykładowo optymalne nachylenie dla Warszawy (52°N) wynosi w skali całego roku 32°, w lecie 23° a w zimie 54°.
Rys. Schemat pracy ogniwa fotowoltaicznego
Źródło: www.mdbud. com.pl
Doskonałym rozwiązaniem dla niewielkich instalacji są tzw. systemy nadążne, zmieniające swoje nachylenie i azymut, czyli podążające za Słońcem. Oczywiście system taki generuje koszty instalacji i konserwacji.
Zjawisko fotowoltaiczne zachodzi w ogniwie fotowoltaicznym. Dzięki niemu pod wpływem promieniowania świetlnego powstaje siła elektromotoryczna. Dzieje się to tylko w określonych warunkach w złączu p-n. Foton, który bierze udział w wytwarzaniu prądu, musi spełniać określone wymagania. Do zjawiska fotowoltaicznego może dojść wyłącznie wtedy, kiedy złącze p-n zostanie oświetlone fotonami o energii większej bądź równej szerokości przerwy energetycznej Eg. Zostaną wówczas wygenerowane pary elektron-dziura. Przemiana energii świetlnej w elektryczną nastąpi, gdy nośniki zostaną rozdzielone. Do tego konieczne jest występowanie lokalnego, wewnętrznego pola elektrycznego. Pole takie występuje na styku półprzewodników o innym typie przewodnictwa, czyli w złączu p-n. Dzięki niemu wygenerowane pary elektron-dziura zostaną rozdzielone. Każdy z nośników zostanie przesunięty w przeciwnym kierunku: elektrony do obszaru typu n, a dziury do obszaru typu p. Oznacza to, że obszar typu n zostanie naładowany ujemnie, zaś obszar typu p dodatnio, co jest istotą efektu fotowoltaicznego. Powoduje to powstanie różnicy potencjałów pomiędzy elektrodami, dzięki którym popłynie prąd stały DC.
Ogniwo jest diodą p-n o dużej powierzchni. Pomiędzy obszarami domieszkowanymi typu p i n tworzy się obszar złącza. Działa on jak jednokierunkowa membrana: dziury z obszaru p dyfundują (proces rozprzestrzeniania) na stronę n, elektrony dyfundują do obszaru p. W obszarze złącza p-n istnieje silne pole elektryczne powodujące przepływ prądu elektrycznego w jednym kierunku, blokując przepływ w przeciwnym. Pole elektryczne rozdziela nośniki, powodując powstanie napięcia na elektrodach ogniwa.
Mgr inż. Maciej Juźwik
