Jak wytwarzana jest energia fotowoltaiczna?
14. 8. 2025
Przejście od nieodnawialnych źródeł energii do odnawialnych źródeł energii nabiera znaczenia wraz z pojawieniem się skutków globalnego ocieplenia i zmian klimatycznych.
Spośród wszystkich technologii wykorzystujących odnawialne źródła energii najbardziej rozpowszechniona jest fotowoltaika, znana wielu osobom jako energia słoneczna, która do produkcji energii elektrycznej potrzebuje jedynie promieni słonecznych. Jest to jedna z najprostszych i najtańszych technologii wykorzystujących odnawialne źródła energii pod względem instalacji i eksploatacji.
Ogólnie rzecz biorąc, mechanizm ten polega na przekształcaniu światła słonecznego w energię elektryczną za pomocą półprzewodnikowego złącza p-n, które stanowi podstawę tych technologii. Półprzewodnik to materiał, który ma przewodność pomiędzy metalem o wysokiej przewodności a izolatorem – jest to swego rodzaju punkt środkowy.
Jedną z kluczowych właściwości materiałów półprzewodnikowych, która odnosi się również do przejść półprzewodnikowych, jest jednak to, że dopływ energii może zmienić ich stan z izolacyjnego na przewodzący – jest to rodzaj przewodnictwa okresowego – i właśnie ta zmiana stanu jest korzystna dla większości technologii, ponieważ umożliwia dostosowanie przewodnictwa do konkretnych scenariuszy.
Podczas gdy wiele półprzewodników zmienia swoje właściwości przewodzenia elektrycznego pod wpływem ciepła (energii cieplnej), złącze półprzewodnikowe w ogniwie fotowoltaicznym zmienia swoją przewodność pod wpływem fotonów promieniowania słonecznego.
Chociaż obecnie istnieje wiele różnych typów ogniw fotowoltaicznych – na przykład ogniwa organiczne, ogniwa barwnikowe i ogniwa z kropkami kwantowymi – które mają nieco odmienne mechanizmy działania, skupimy się na tradycyjnych ogniwach nieorganicznych, ponieważ są one najczęściej stosowane w handlu.
Podstawowe zasady działania ogniw fotowoltaicznych
Ogniwa słoneczne (nieorganiczne) składają się zazwyczaj z domieszkowanych materiałów krzemowych (obecnie można również stosować nanomateriały), a przejścia tworzy się poprzez umieszczenie obok siebie krzemu typu p i krzemu typu n. Dla informacji, materiał domieszkowany typu n ma atomy, które zawierają w sieci atomowej jeden dodatkowy elektron, podczas gdy materiały domieszkowane typu p mają atomy, które mają o jeden elektron mniej. Prowadzi to do powstania nadmiaru elektronów w materiałach typu n i dziur w materiałach typu p.
Oba nośniki ładunku uczestniczą w mechanizmie przemiany energii. Należy zauważyć, że do tworzenia połączeń w ogniwach fotowoltaicznych można stosować tylko określone materiały, ponieważ muszą one podlegać zjawisku fotoelektrycznemu, tj. wytwarzaniu napięcia w obecności światła.
Gdy te dwa domieszkowane materiały krzemowe zostaną umieszczone obok siebie, tworzą złącze półprzewodnikowe. Po jednej stronie tego złącza znajduje się duża liczba dziur, a po drugiej duża liczba elektronów. Pomiędzy tymi dwoma obszarami nośników ładunku znajduje się obszar elektrycznie neutralny, znany jako strefa pusta, który działa jako granica między obydwoma obszarami nośników ładunku. Strefa pusta powstaje, gdy na ogniwo fotowoltaiczne nie pada światło słoneczne.
Strefa pusta powstaje w wyniku interakcji i łączenia się niektórych elektronów i dziur. Oba nośniki ładunku łączą się, tworząc cząstki neutralne, które oddzielają pozostałe nośniki ładunku od siebie.
Oprócz oddzielenia naładowanych cząstek, strefa neutralna tworzy również wewnętrzne pole elektryczne wewnątrz ogniwa słonecznego, które zapobiega całkowitemu połączeniu obu obszarów nośników ładunku. Jest to bardzo ważne, ponieważ gdyby te dwa obszary całkowicie się zderzyły, w wyniku powstałby materiał całkowicie neutralny elektrycznie, który nie działałby tak, jak powinien. Powodem tego jest fakt, że migracja tych ładunków pod wpływem stymulacji świetlnej jest przyczyną działania ogniw słonecznych i powstawania energii fotowoltaicznej, a materiał neutralny elektrycznie nie wytwarzałby prądu elektrycznego.
Powstawanie energii fotowoltaicznej
Prąd elektryczny powstaje, gdy fotony światła padają na ogniwo słoneczne, ponieważ fotony światła przenoszą energię do przejścia półprzewodnikowego, które następnie przenosi energię do wolnych nośników ładunku po obu stronach przejścia/strefy wyczerpanej. Gdy nośniki ładunku mają zwiększoną energię, ich ruchliwość wzrasta na tyle, że wchodzą do strefy wyczerpanej.
Kiedy nośniki ładunku wchodzą do strefy wyczerpanej, jej szerokość zmniejsza się. Szerokość ostatecznie zmniejsza się do punktu, w którym wewnętrzne pole elektryczne (powstałe ze strefy wyczerpanej) nie jest już wystarczająco silne, aby przeciwdziałać ruchowi nośników ładunku. Powoduje to, że elektrony przemieszczają się w kierunku dziur, gdzie ponownie się łączą. Ten proces rekombinacji nośników ładunku generuje stały prąd elektryczny, co jest również produkcją energii elektrycznej z fotowoltaiki, którą można magazynować.
Po wygenerowaniu prąd elektryczny pozostaje w tym stanie, dopóki na połączenie nie padnie światło słoneczne. Kiedy nośniki ładunku łączą się, grubość strefy wyczerpanej tymczasowo zwiększa się, ale trwa to tylko do momentu uderzenia kolejnego fotonu, który dostarcza nośnikom ładunku więcej energii. Energia fotowoltaiczna może być zatem pozyskiwana w sposób ciągły, o ile dostępne jest światło słoneczne. Strefa wyczerpana nie powraca do swojego naturalnego stanu spoczynku/grubości, dopóki nie padnie na nią światło słoneczne.
Gdy nie ma światła słonecznego, urządzenie „resetuje się”, a strefa wyczerpana powraca do swojej pierwotnej grubości, a nośniki ładunku ponownie się rozdzielają. Proces ten powtarza się po powrocie światła słonecznego.
Zastanawiasz się nad zakupem instalacji fotowoltaicznej? W naszej ofercie znajdziesz szeroki wybór paneli słonecznych i innych komponentów fotowoltaicznych wiodących światowych marek.