Dlaczego ogniwa fotowoltaiczne mają taką niską sprawność

Choć pracuje się nad nimi już od dziesięcioleci ogniwa fotowoltaiczne nie mogą pochwalić się wysoką sprawnością. Najbardziej wydajne ogniwa będące w masowej produkcji (z krzemu monokrystalicznego) nie osiągają nawet sprawności 20% a rekord laboratoryjny przy kilkuset krotnym skoncentrowaniu promieniowania słonecznego i wykorzystaniu ogniwa o kilku złączach PN ledwo przekroczył 40%.


Aby zrozumieć dlaczego tak trudno jest zbudować wysoce sprawne ogniwo przypomnę pokrótce zasadę jego działania. (na przykładzie krzemu).



Sercem ogniwa krzemowego jest złącze P-N. Na styku tych dwóch półprzewodników tworzy się bariera potencjału, ujemna w części P oraz dodatnia w części N. Jeżeli na ogniwo (złącze) nie padają promienie słoneczne płynie w nim mały wsteczny prąd dyfuzyjny. Aby ogniwo stało się źródłem energii musi być oświetlone a dokładnie w złącze P-N musi uderzyć foton o odpowiedniej, ściśle określonej energii która wytrąci elektron z powłoki walencyjnej półprzewodnika (pozwoli mu pokonać przerwę energetyczną). Powstaje para elektron(-) – dziura (+) a pole elektryczne związane z obecnością złącza P-N przesuwa w przeciwne strony nośniki różnych znaków. Elektrony wędrują do obszaru N a dziury (+) do obszaru P – powstaje prąd fotowoltaiczny.

Kluczem problemu niskiej sprawności jest wspomniana bariera potencjału półprzewodnika (ang. band gap). Padający na ogniwo foton nie może mieć zbyt malej energii gdyż, nie wybije elektronu z powłoki walencyjnej. Także fotony o energii przewyższającej barierę potencjału nie są w pełni użyteczne, gdyż jedynie cześć ich energii będzie wykorzystana.

Producenci ogniw fotowoltaicznych podają zazwyczaj spektrum promieniowania, w którego przedziale następuje konwersja promieniowania słonecznego na elektryczność.



Z powyższego wykresu widać, że nawet w przypadku „wysoce sprawnego” krzemu konwersja promieniowania słonecznego na energię elektryczną zachodzi głównie w części widzialnej promieniowania słonecznego (od 300 – 1200 [nm] ) dodatkowo nawet w tym wąskim zakresie konwersja nie jest 100%.

Dzięki pracom Einsteina i Planka możemy przeliczyć długość światła na energię wyrażoną w eV (elektronowolt) jaką muszą mieć fotony, aby wybić elektron walencyjny z powłoki.



po podstawieniu stałej planka i prędkości światła mamy


gdzie lambda to długość fali w [nm]


Korzystając z tego wzoru w przypadku naszego wykresu możemy policzyć że:

- maksymalna energia, jaką mogą mieć fotony to 4.1 eV – konwersja poniżej 20%
- efektywna konwersja ponad 90% - zachodzi jedynie w przedziale 1,77eV – 1.3eV
- konwersja ustaje, gdy elektrony mają energię mniejszą niż 1.1eV



Jak można stworzyć wysoce sprawne ogniwo?

- można stworzyć ogniwo o kilku złączach (z kilku różnych półprzewodników), które będą absorbować fotony z wąskiego zakresu energetycznego, ale bardzo efektywnie. - Wiele laboratoriów zajmujących się fotowoltaiką pracuje nad tym rozwiązaniem

- z uwagi, że światło ma naturę korpuskularno – falową można próbować wykorzystać jego naturę falową i tworzyć koncentratory, które będą konwertować promieniowanie do długości fal, w których zakresie następuję najwyższa konwersja – pomysł jak na razie jedynie teoretyczny.