Fotowoltaika to bezpośrednia konwersja światła w energię elektryczną na poziomie atomowym. Niektóre materiały wykazują właściwość zwaną efektem fotoelektrycznym, która powoduje, że pochłaniają one fotony światła i uwalniają elektrony. Kiedy te swobodne elektrony są wychwytywane, powstaje prąd elektryczny, który można wykorzystać jako elektryczność.

Historia fotowoltaiki

Efekt fotoelektryczny został po raz pierwszy dostrzeżony przez francuskiego fizyka Edmunda Bequerela w 1839 roku, 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 zdobył nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Pierwszy moduł fotowoltaiczny został zbudowany przez Bell Laboratories w 1954 roku. Został nazwany baterią słonecznę i był głównie ciekawostką, ponieważ był zbyt drogi, aby mógł być szeroko stosowany. W latach 60-tych przemysł kosmiczny zaczął po raz pierwszy poważnie wykorzystywać tę technologię do zasilania statków kosmicznych. Dzięki programom kosmicznym technologia rozwinęła się, ustalono jej niezawodność, a koszt zaczął spadać. Podczas kryzysu energetycznego w latach 70. XX wieku technologia fotowoltaiczna zyskała uznanie jako źródło energii do zastosowań poza kosmosem.

Jak działa ogniwo fotowoltaiczne

Ogniwa słoneczne są wykonane z tych samych rodzajów materiałów półprzewodnikowych, takich jak krzem, które są używane w przemyśle mikroelektronicznym.

W przypadku ogniw słonecznych cienka płytka półprzewodnikowa jest poddawana specjalnej obróbce, aby utworzyć pole elektryczne dodatnie z jednej strony i ujemne z drugiej. Kiedy energia świetlna uderza w ogniwo słoneczne, elektrony są wytrącane z atomów w materiale półprzewodnikowym. Jeśli przewodniki elektryczne są dołączone do strony dodatniej i ujemnej, tworząc obwód elektryczny, elektrony mogą zostać wychwycone 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 wspornej lub ramie nazywa się modułem fotowoltaicznym. Moduły są zaprojektowane do dostarczania energii elektrycznej przy określonym napięciu, na przykład w zwykłym systemie 12 woltów. Wytwarzany prąd jest bezpośrednio zależny od ilości światła padającego na moduł.

Wiele modułów można łączyć ze sobą, tworząc macierz. Ogólnie rzecz biorąc, im większa powierzchnia modułu lub macierzy, tym więcej energii elektrycznej zostanie wyprodukowane. Moduły i tablice fotowoltaiczne wytwarzają prąd stały (DC). Można je łączyć zarówno szeregowo, jak i równolegle, w celu wytworzenia dowolnej wymaganej kombinacji napięcia i prądu.

Urządzenia fotowoltaiczne

Obecnie najpopularniejsze urządzenia fotowoltaiczne wykorzystują pojedyncze złącze lub interfejs do wytworzenia pola elektrycznego w półprzewodniku, takim jak ogniwo PV.

W ogniwie PV z pojedynczym złączem tylko fotony, których energia jest równa lub większa od przerwy wzbronionej materiału ogniwa, mogą uwolnić elektron dla obwodu elektrycznego.

Innymi słowy, odpowiedź fotowoltaiczna ogniw jednozłączowych jest ograniczona do części widma słonecznego, której energia znajduje się 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 komórek, z więcej niż jednym pasmem wzbronionym i więcej niż jednym złączem, w celu wygenerowania napięcia. Są one określane jako komórki „wielozłączowe” (nazywane również komórkami „kaskadowymi” lub „tandemowymi”).

Urządzenia wielozłączowe mogą osiągnąć wyższą całkowitą sprawność konwersji, ponieważ mogą przekształcić więcej widma energii światła w energię elektryczną.

Urządzenie wielozłączowe to stos pojedynczych komórek z pojedynczym złączem w porządku malejącym według przerwy wzbronionej (np.). Górna komórka wychwytuje wysokoenergetyczne fotony i przekazuje pozostałe fotony, aby zostały zaabsorbowane przez komórki o niższej przerwie energetycznej.

Komórki wielozłączowe

Wiele badań nad komórkami wielozłączowymi koncentruje się na arsenku galu jako jednej (lub wszystkich) komórkach składowych. Takie komórki osiągnęły wydajność około 35% w skoncentrowanym świetle słonecznym. Inne materiały badane do urządzeń wielozłączowych to amorficzny krzem i diselenek miedziowo-indowy.

Na przykład, urządzenia wielozłączowe wykorzystują górną komórkę z fosforku indu galu jako złącze tunelowe, aby wspomóc przepływ elektronów między komórkami i dolną komórkę arsenku galu.