Efekt fotowoltaiczny – na czym polega zjawisko fotowoltaiczne?

Czy kiedykolwiek zastanawiałeś się jak działają panele słoneczne? Dzięki czemu właściwie jest możliwa konwersja promieniowania słonecznego na prąd? Wyjaśnieniem jest efekt fotowoltaiczny, który odpowiada za ten „magiczny” proces. Jak należy go rozumieć? Odpowiedź na to i wiele innych pytań znajdziesz w tym artykule.

Pierwsze ogniwa fotowoltaiczne

Alexandre-Edmun Becquerel to francuski fizyk, który jako pierwszy skonstruował prototyp ogniwa słonecznego w 1839 roku. Badania, przeprowadzone przez 3 pokolenia rodziny Becquerel zakończyły się uzyskaniem nagrody Nobla przez Henry’ego Bequerel’a w 1903 i stały się impulsem do dalszej analizy efektu fotowoltaicznego.

Badania nad możliwościami wykorzystania świata słonecznego w wytwarzaniu energii, skupiały uwagę kolejnych fizyków: Fritts’a, Ohl’a czy Lenarda. Amerykanin Charles Fritts jako pierwszy skonstruował panel słoneczny z ogniwami selenowymi, a swoją instalację umieścił na dachu jednego z budynków w Nowym Jorku. Wydajność konstruowanych wówczas ogniw słonecznych była bardzo niska, ponieważ konwersja padającego światła słonecznego wynosiła jedynie 1%. 

Dzięki opracowanej przez Alberta Einsteina kwantowej teorii zjawiska fotoelektrycznego, traktującej o przekazaniu elektronowi energii fotonu w sytuacji zetknięcia tych dwóch cząstek w metalu, fizyk otrzymał nagrodę Nobla w 1921 roku. Do wyrwania elektronu z powierzchni płytki (półprzewodnika) dochodzi wówczas, gdy energia fotonu przeważa nad energią wiązania elektronu. Bazując na tym zjawisku możliwe jest generowanie prądu elektrycznego ze światła słonecznego.

Boom na rynku fotowoltaiki

Z każdą dekadą i kolejnymi ulepszeniami wprowadzanymi przez instytucje naukowe wydajność paneli PV rosła. Od chwili, gdy konwersja ogniwa przekroczyła 6%, fotowoltaika wkroczyła w fazę dynamicznego rozwoju. W latach 80. USA zainstalowało pierwsze elektrownie solarne o mocy przekraczającej 1 MW, czego pozazdrościły kolejne kraje, a tym samym rozpoczął się technologiczny „boom” na rynku fotowoltaiki. 

Obecnie w Unii Europejskiej najszybszym rozwojem fotowoltaiki mogą pochwalić się Niemcy i Hiszpania. Ponadto prężnie rozwijają tę branżę Francja oraz Hiszpania. Co ważne, rok 2019 okazał się przełomowym również dla Polski, kiedy to na koniec grudnia moc wyniosła praktycznie 1,3 GW, uzyskując wzrost o 175%. 

W obliczu bieżących problemów klimatycznych oraz konieczności modyfikacji źródeł energii – znaczenie fotowoltaiki będzie rosło z roku na rok. 

Jak to działa? Na czym polega zjawisko fotowoltaiczne?

Zjawisko fotowoltaiczne wykorzystuje funkcjonowanie dwóch elementów: 

  • Ogniwa fotowoltaicznego (fotoogniwa)- które zakłada wykorzystanie krzemu jako półprzewodnika, bazując na różnicy potencjału (półprzewodniku typu P, półprzewodniku typu N, warstwie zubożonej z wbudowanym polem elektrycznym oraz elektrodzie ujemnej i dodatniej);
  • strumienia światła słonecznego (fotonów), które przenoszą konkretny ładunek energii.

Co to jest efekt fotowoltaiczny? 

Efekt fotowoltaiczny to reakcja zachodząca w półprzewodniku na skutek działania promieni słonecznych. Prowadzi ona do powstania nośników ładunku. Jest to zjawisko typu wewnętrznego, ze względu na to, że zachodzi wewnątrz materiału. 

Efekt fotowoltaiczny – zasada działania

Efekt fotowoltaiczny ma miejsce wówczas, gdy energia promieniowania słonecznego oddziałuje na kryształ krzemu i znajdujące się w nim elektrony. Zostają one wybite w skutek czego tworzy się tzw. „dziura elektronowa”. Elektron, który przejął energię fotonu przechodzi w stan wzbudzenia, przez co porusza się w przeciwnym kierunku do powstałej dziury elektronowej. Dochodzi do rekombinacji. 

Standardowe ogniwa wykorzystują złącze p-n. Jest ono zbudowane z dwóch półprzewodników o różnej konduktywności. W półprzewodniku typu N (negative) przeważa liczba elektronów nad „dziurami”, natomiast w półprzewodniku typu P (positive) ten stosunek jest odwrotny, gdzie nośnikami dominującymi są dziury o ładunku dodatnim. W reakcji tej powstają pary: „dziura” i elektron. Na skutek różnicy potencjałów i przepływu cząstek w złączu powstaje napięcie. 

Po zastosowaniu falownika (inwertera), który zmienia prąd stały na zmienny, możliwe jest wykorzystanie powstałej energii w gospodarstwie domowym czy zakładzie produkcyjnym. 

Dlaczego akurat krzem?

Krzem jest półprzewodnikiem, wykorzystywanym w elektronice i fotowoltaice na szeroką skalę. Występuje on w przyrodzie np. w piasku czy glebie, a dzięki budowie jego atomu możliwe jest wykorzystanie tego pierwiastka w przewodzeniu prądu. Zanim jednak znajdzie zastosowanie w fotowoltaice musi zostać poddany oczyszczeniu. Ten chemiczny proces przebiega w temperaturze 1800°C, a jego efektem jest polikrzem. Dalsza obróbka zmierza do uzyskania wymaganej budowy kryształu. Obecnie popularne jest wykorzystanie ogniw monokrystalicznych, polikrystalicznych oraz amorficznych, które różnią się swoimi właściwościami oraz wyglądem.

Podsumowanie

Prąd wygenerowany w skutek efektu fotowoltaicznego w ogniwie jest ekologiczny oraz tani. Może być wykorzystywany na bieżąco. Jego nadwyżki mogą zostać zmagazynowane w akumulatorze bądź rozliczone z zakładem energetycznym.

Stale zwiększające się zanieczyszczenie powietrza i coraz droższe pozyskiwanie paliw kopalnych, a tym samym rosnące ceny, wymuszają na nas zmianę w podejściu do energetyki. Z wykorzystaniem promieniowania słonecznego z powodzeniem ograniczymy nasze wydatki na prąd, przyczyniając się tym samym do troski o klimat dla kolejnych pokoleń.

Autor