Podział ogniw fotowoltaicznych

  • -

Podział ogniw fotowoltaicznych

Category : Bez kategorii

Ogniwa fotowoltaiczne zbudowane są ze złącza półprzewodnikowego P-N, w którym występuje bariera potencjałów. Gdy w ogniwo uderzy foton o energii większej, niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika to wtedy elektrony przemieszczają się do obszaru N, a następnie po przejściu przez obwód łączą się z dziurami, które pozornie poruszają się przez obszar typu P. W wyniku takiego ruchu elektronów powstaje różnica potencjałów, czyli napięcie elektryczne.
PODZIAŁ OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH:
OGNIWA PIERWSZEJ GENERACJI:

Panel fotowoltaiczny

Ogniwa te oparte są o tradycyjne krzemowe złącze p-n produkowane z bardzo czystego prawie 100% krzemu krystalicznego. Różnią się jedynie kolorem i kształtem, zależnym od procesu produkcji.

  • Ogniwa monokrystaliczne – tworzone są z jednego kryształu krzemu o uporządkowanej strukturze wewnętrznej, przez co osiągają najwyższą sprawność siegającą 22 % i największą żywotność, ale są kosztowne.Ogniwe monoktrystaliczne mają obecnie największy udział w rynku. Wytwarzanie tych ogniw wymaga wyprodukowania pojedynczych kryształów krzemu.Najczęściej w praktyce stosowany jest proces Czochralskiego polegający na wyciąganiu pojedynczego kryształu krzemu z roztopionej masy polikryształów. Zarodkiem wokół którego narasta stopniowo kryształ krzemu wykonany jest z krzemowego pręta. . Wymiary i kształt hodowanego kryształu (średnica oraz długość) kontrolowane są poprzez prędkość przesuwu i prędkość obrotową zarodka, ograniczone są jednak poprzez parametry układu zastosowanego do hodowli.
  • Ogniwa polikrystaliczne – wytwarzane są z oszlifowanych płytek krzemowych ułożonych nieregularnie względem ich struktury krystalicznej. Koszt wyprodukowania ogniw polikrystalicznych jest zdecydowanie mniejszy i mniej energochłonny, co przekłada się na cenę. Są znacznie tańsze od ogniw monokrystalicznycha, lecz posiadają mniejszą sprawność. Płytki polikrystaliczne odróżnia, także kolor niebieski w porównaniu do czarnych monokrystalicznych. Ze względu na niską cenę obecnie są najczęściej stosowanymi fotoogniwami na rynku. Produkcja polikryształów zachodzi w specjalnych formach, gdzie kryształy krzemu są najpierw topione, a następnie po wystudzeniu cięte na prostokątne płytki o grubości <0,2mm. Z kolei później płytki poddaje się szlifowaniu, nakłada się ścieżki prądowych metodą druku sitowego a na końcu następuje nałożenie warstwy antyodblaskowej. Sprawność modułów polikrystalicznych wynosi 15-18%. Jest więc niższa niz ogniw monokrystalicznych, ale jednocześnie tańsza w produkcji. Koszt wyprodukowania ogniwa polikrystalicznego wynosi 2,3zł/W podczas gdy monokrystalicznego 2,5zł/W.

OGNIWA DRUGIEJ GENERACJI:
Zbudowane identycznie w oparciu o złącze P-N, lecz nie z krzemu krystalicznego tylko z np. krzemu amorficznego, z tellurku kadmu (CdTe), mieszaniny miedzi, indu, galu, selenu (CIGS) . Cechą charakterystyczną tego typu ogniw jest bardzo mała grubość warstwy półprzewodnika absorbującej światło, która zazwyczaj waha się w granicach od 1-3 mikrometrów, stąd inna nazwa ogniwa cienkowarstwowe. Z uwagi na dużą redukcję zużycia półprzewodników są znacznie tańsze w produkcji, a cały proces bardziej zautomatyzowany.

Man installing alternative energy photovoltaic solar panels on roof

  • Ogniwa amorficzne – wykonane są z amorficznego, bezpostaciowego niewykrystalizowanego krzemu dyfundowanego wodorem w ilości 8-12%. Charakteryzują się niską sprawnością w przedziale 6-10% oraz niską ceną. Produkcja ogniwa polega na nakładaniu cienkich warstw krzemu na szkle, stali nierdzewnej lub tworzywach sztucznych. Zazwyczaj posiadają charakterystyczny lekko bordowy kolor i brak widocznych kryształów krzemu. Są powszechnie stosowane w kalkulatorach. Grubość warstwy krzemu naniesionej na taflę szklaną wynosi tutaj do 2 mikronów.
  • Ogniwa polikrystaliczne – produkowane są z mieszaniny pierwiastków np. miedzi, indu, galu, selenu. Technologia produkcji polega na nanoszenie na siebie warstw. W przypadku ogniw CIGS także metodę przemysłowego druku. W tej technologii moduł PV zbudowany jest najczęściej z jednego dużego ogniwa
    Sprawność powyższych ogniw wynosi odpowiednio:
    – moduły CdTe – 12-14%
    – moduły CIGS – 13-16%
    – moduły z krzemu amorficznego A-Si – 6-8%
  • Ogniwa typu HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer). Ich budowa opiera się na wykorzystaniu pojedynczej warstwy monokrystalicznego krzemu typu n, sąsiadującej z bardzo cienkimi warstwami krzemu amorficznego typu n z jednej strony, oraz typu p z drugiej strony. Ogniwa typu Hit ma sprawność na poziomie 22,8% i grubość jedynie 98μm. Tak cienkie ogniowo zmniejsza koszty produkcyjne, czyli główną barierę popularyzacji tej drogi pozyskiwania zielonej energii. Zaletą ogniw jest dużo wyższa wydajność przy wysokich temperaturach ale również wyższa efektywność przy typowych warunkach pracy.
    Firma Sanyo produkuje ogniwa typu HIT w kształcie klasycznym i zmodernizowanym do kształtu plastra miodu (Honeycomb Design – HD). To ostatnie rozwiązanie pozwala w bardziej wydajny sposób wykorzystać kryształy krzemu.

OGNIWA TRZECIEJ GENERACJI:

  • Ogniwa barwnikowe (DSC lub DSSC)
    Należące do tej grupy ogniwa bazują na odwracalnym procesie fotochemicznym. Ogniwa DSC osiągają laboratoryjną sprawności na poziomie do 11 procent
    Niewątpliwą zaletą ogniw uczulanych barwnikiem jest niewielka wrażliwość na zmianę temperatury, wadą zaś konieczność stosowania ciekłego elektrolitu ograniczającego znacznie ich żywotność. Rozwiązaniem tego problemu może być kompromis w zakresie sprawności i trwałości uzyskiwany przez zastosowanie polimerowego elektrolitu żelowego lub rezygnacja z elektrolitu na rzecz stałego półprzewodnika typu p. Potencjał rozwoju technik realizacji ogniw DSC tkwi w niskich kosztach procesu technologicznego i materiału (głównie absorbera) oraz możliwości zastosowania odnawialnych związków organicznych.
    Pozwalają na zastosowanie w elementach transparentnych jak szyby wystawowe, świetliki
  • Ogniwa organiczne
    Oparte są na organicznych materiałach półprzewodnikowych polimerach, oligomerach, dendrymerach, w których podczas absorpcji promieniowania dochodzi do powstawania ekscytonów – par związanych ze sobą ładunków o przeciwnych biegunach. Proces dysocjacji (rozbicia) ekscytonu uwalnia ładunki i umożliwia ich migrację w kierunku elektrod. Do separacji dochodzi w rejonie styku metal – organiczny półprzewodnik, a także na styku materiału organicznego donorowego i akceptorowego. Ogniwa wykonywane są w technice cienkowarstwowej na podłożach szklanych z przednią elektrodą TCO i tylną aluminiową, pełniącą również funkcję zwierciadła. Sprawności tych ogniw wynosi przeciętnie od 0,007 do 1 proc., a w przypadku skomplikowanych struktur wielowarstwowych dochodzi do 5 proc. Najważniejszymi atutami ogniw organicznych są: ich znakomita absorpcja dochodząca do 90 proc. na drodze zaledwie 100 nm, nietoksyczność oraz bardzo niskie koszty produkcji. Największe wady to: złożony proces generacji swobodnych nośników ładunku, wysokiestraty wewnętrzne, duże ryzyko uszkodzenia w wysokiej temperaturze i niestabilność parametrów w perspektywie długiego czasu użytkowania.