Czym jest komórka solarna?

Artykuł gościnny przesłany przez SUNEN Sp. z o.o.

Komórki solarne (czy też fotowoltaiczne - jak kto woli) można obecnie spotkać niemal wszędzie - w kalkulatorach, zabawkach dla dzieci, latarkach. Ich nazwa (photovoltaic cells) wzięła się z połączenia słów "photo", czyli światło oraz "voltaic" - elektryczność - nietrudno zatem się domyślić, iż urządzenia te służą do generowania elektryczności bezpośrednio z promieni słonecznej. Artykuł ten został przygotowany przez firmę Sunen z Gdyni. W trakcie czytania dowiesz się, jak powstaje prąd przy użyciu energii słonecznej.

Grupa połączonych ze sobą za pomocą ramki komórek fotowoltaicznych zwana jest panelem (lub modułem) solarnym - takie panele również mogą być ze sobą połączone, by stworzyć swoisty szreg.

Komórki fotowoltaiczne są stworzone z półprzewodników, takich jak na przykład krzem, najczęściej w nich używany pierwiastek. Gdy światło uderza w komórkę, jego część jest absorbowana właśnie przez półprzewodnik - energia pochodząca z tego światła zostaje do niego przetransferowana. To z kolei uwalnia elektrony, pozwalając im na swobodny przepływ.

Fotowoltaiczne komórki posiadają swoje pola elektryczne, które zmuszają wolne elektrony, by przepływały w odpowiednim kierunku. Ten przepływ nazywamy p-rądem - gdy metalowy materiał zewnętrzny zostaje umieszczony na górze lub dole komórki solarnej, pozwala to pobierać tenże prąd do własnego użytku.

Jak krzem tworzy komórkę solarną?

  

Krzem posiada specjalne właściwości chemiczne, w szczególności w swojej skrystalizowanej formie. Jeden jego atom ma 14 elektronów rozmieszczonych w trzech okresach. Pierwsze dwa, z których pierwszy ma dwa, a drugi osiem elektronów, są całkowicie pełne - zewnętrzny okres z kolei jest wypełniony jedynie do połowy. Atom krzemu zawsze będzie szukał sposobu na wypełniene ostatniego okresu - będzie zatem szukał elektronów w czterech sąsiadujących mu atomach. To właśnie formuje krystaliczną strukturę, która okazuje się bardzo ważna w komórkach fotowoltaicznych.

Czysty skrystalizowany krzem jest słabym przewodnikiem prądu, ponieważ żaden z jego elektronów nie jest wolny, w przeciwieństwie do elektronów lepszych przewodników, jak miedź. By pokonać tę trudność, krzem w komórce fotowoltaicznej posiada domieszki innych atomów. Podczas gdy zazwyczaj uważamy ich obecność w atomie za niechcianą, w tym przypadku bez nich cała komórka solarna nie byłaby w stanie istnieć.

Jeżeli dodamy atom fosforu (z pięcioma elektronami) do krzemu (któremu brakuje czterech elektronów), ten połączy się z nim, pozostawiając jednak jeden elektron bez żadnego związku. Ten elektron jest trzymany w ryzach poprzez pozytywny proton znajdujący się w jądrze fosforu. Kiedy energia jest dodawana do czystego krzemu, tworzy się ciepło, które uwalnia kilka elektronów (te opuszczają swoje atomy). Takie elektrony są nazywane wolnymi przewodnikami i poruszają się po całej krystalicznej siatce.

Proces dodawania domieszek innych atomów w celu osiągnięcia jakichś efektów zwie się domieszkowaniem - powstały w jego wyniku krzem (z fosforem) należy do rodzaju N (jak "negatywny"), który jest o wiele lepszym przewodnikiem, niż czysty krzem.

Inna część komórki fotowoltaicznej zostaje domieszkowana z częścią boru, który posiada jedynie trzy elementy na zewnętrznym okresie (zamiast czterech) - tworzy to krzem typu P. Zamiast zatem mieć wolne elektrony, krzem typu P (pozytywny) posiada wolne otwory.

Anatomia komórki solarnej

Dwa różne odłamki krzemu w normalnych warunkach są elektrycznie neutralne - to fakt, o którym każdy chemik doskonale wie. Interesująca rzecz zaczyna się jednak dziać, gdy połączy się je ze sobą. Wszystko za sprawą tego, że po połączeniu krzemu typu N i typu P (Negatywny i Pozytywny) tworzy się pole elektryczne, bez którego komórka solarna nie byłaby w stanie działać. Nagle wolne elektryony ze strony N zauważają wolne miejsca po stronie P i zaczynają ku nim gnać - tak właśnie powstaje całe pole.

Czy jednak wszystkie elektrony wypełniają wszystkie wolne "otwory" (czy szczeliny, jak kto woli) po stronie P? Nie - jeżeli by tak było, cały proces nie byłby wartościowy. Mniej więcej na skrzyżowaniu elektrony mieszają się i tworzą specjalną barierę, która wraz z upływem czasu utrudnia przepływ elektronów ze strony N do strony P. W końcu osiągnięta zostaje swoista równowaga i powstaje pole elektryczne dzielące obie strony.

To pole elektryczne działa jak dioda - pozwala ono elektronom ze strony P przedostać się na stronę N, jednak nie na odwrót. Przypomina to górkę - elektrony z łatwością mogą z niej zejść (na stronę N), jednak nie są w stanie na nią się wdrapać (na stronę P). Gdy światło w formie fotonów uderza w komórkę fotowoltaiczną, jego energia rozrywa pary elektron-otwór. Każdy foton z wystarczającą ilością energii uwolni dokładnie jednego elektrona (pozostawiając również jeden pusty otwór). Jeżeli stanie się to wystarczająco blisko pola elektrycznego, lub jeżeli wolny elektron i wolny otwór znajdą się w obszarze jego działania, pole wyśle elektron na stronę N, a otwór - na stronę P.

Ten proces powoduje dalsze zakłócenia w neutralności elektrycznej - jeżeli dostarczymy jakieś zewnętrzne ujście prądu, elektrony skorzystają z niego, by przedostać się na stronę P i połączyć się z otworami, które wysłało tam pole elektryczne. Przepływ elektronów dostarcza prąd, a pole elektryczne komórki wywołuje jego napięcie - z połączenia tych dwóch elementów otrzymamy właściwą moc, którą następnie możemy wykorzystać do własnych celów.

Trzy typy komórek solarnych

Istnieją trzy podstawowe rodzaje komórek fotowoltaicznych. Monokrystaliczne komórki są wycięte w formie krzemowych sztabek z jednego dużego kryształu krzemu, podczas gdy te polikrystaliczne są wycinane w formie sztabek z wielu mniejszych kryształów. Trzecim rodzajem jest komórka amorficzna.

Amorficzne komórki solarne

Technologia amorficzna / bezkształtna jest najczęściej stosowana w małych panelach solarnych, tak jak te używane w kalkulatorach czy lampach, aczkolwiek amorficzne panele są coraz częściej wykorzystywane w o wiele większych urządzeniach. Stworzone są w wyniku procesu domieszkowania cienkiej warstywy krzemu z innym materiałem, jak na przykład stal. Pomimo, że panel - tak jak w innych przypadkach - tworzony jest z połączenia pojedynczych komórek, te nie są widoczne gołym okiem (jest jednolity - stąd nazwa "amorficzny").

Efektywność amorficznych paneli solarnych nie jest tak wysoka, jak tych krystalicznych. Ze względu na ich mniejszą zawartość mocy, amorficzne komórki wymagają trzy razy więcej paneli do standardowej instalacji, by zdobyć te samew osiągi, co ich konkurentki - dlatego też potrzebują więcej miejsca. Mają także znacznie krótszy okres przydatności, a w związku z tym wiążą się z o wiele mniejszym zyskiem.

Krystaliczne komórki solarne

Wielu ludzi zastanawia się, jaka jest różnica pomiędzy mono- a poli-. Zazwyczaj ludzie sądzą, że mono jest lepsze niż poli - w naszym przypadku niekoniecznie jest to prawdą.

Mono-krystaliczne komórki są tworzone poprzez swoiste wycinanie walcowatych sztabek krystalicznego krzemu z małego kryształu. Jednej sztabce równa się jeden kryształ, skąd też wzięła się nazwa. Sztabka ta jest następnie przycinana i "krojona" na swoiste płytki. Mono-krystaliczne komórki są najbardziej efektywne, gdy są położone na pułapie 0° (na północ w południowej hemisferze i na południe w północnej hemisferze).

Poli-krystaliczne komórki są tworzone poprzez wlewanie stopionego krzemu w kwadratowe naczynia i pozwalanie mu ostygnąć. Jako że ten stygnie w różnych temperaturach (na zewnątrz szybciej niż wewnątrz) oraz nie mamy tutaj żadnego wielkiego kryształu, z którego byśmy go wycinali, jeden taki blog zawiera wiele kryształów (stąd nazwa) i z zewnątrz wygląda bardzo "jarząco". Poli-krystaliczna komórka lepiej radzi sobie w słabym świetle i na położonych na wschód lub zachód dachach domu. Jej kolejną zaletą jest to, że jest bardzo efektywna - jej jeden metr kwadratowy dostarcza mnóstwo mocy elektrycznej.

Czy lepsza komórka jest bardziej efektywna? Zdecydowanie tak!

Poli-krystaliczne komórki posiadają wewnętrzne straty związane z granicami, w których spotykają się kolejne kryształy. Mono-krystaliczne są stworzone z jednego kryształu, w związku z czym takich strat nie posiadają. Mają za to inną zaletę - odpowiednie ich umiejscowienie pozwala stworzyć swoistą piramidę, która z kolei pomaga absorbować więcej światła do panelu.

Różni producenci używają także zróżnicowanych metod, by poprawić efektywność ich komórek. Zawsze warto zatem sprawdzać dane dotyczące panelu by zobaczyć, co zostało zrobione celem zwiększenia jego efektywności.

Czy "bardziej efektywna" oznacza "dostarczająca więcej energii?"

Mono-krystaliczny moduł 180W na obszarze 1,28 m2 może mieć efektywność równą 14,1%, podczas gdy poli-krystaliczny moduł 200W na obszarze 1,47 m2 może mieć tę efektywność równą 13,6%. Efektywność jest zatem jedynie wskaźnikiem opartym na obszarze działania modułu - im jest on większy, tym więcej mocy powstanie przy użyciu tej samej wielkości modułu. By spojrzeć na to z innej strony: ten sam rezultat można osiągnąć korzystając z mniejszej ilości modułu.

Skąd wiemy, który moduł da nam więcej energii w rzeczywistości?

Energia jest mierzona w Wh (lub kWh), a nie samych W (lub kW), więc w celu okreslenia efektywności solarów musimy również rozważyć czynniki pogodowe, takie jak nasłonecznienie czy ilość chmur na niebie lub panującą na zewnątrz temperaturę. By w lepszy sposób to wszystko określić, wielu producentów paneli solarnych dostarcza kupującym specjalne charakterystyki temperatur, które wskazują, w jaki sposób działać będą solary na dachach, a nie w warunkach laboratoryjnych.

Jako że tolerancja temperatury dla solarów mono- i poli-krystalicznych jest niemal identyczna, oba te rodzaje będą zachowywać się bardzo podobne. W związku z tym powiedzenie, że mono- jest lepsze niż -poli w tym przypadku po prostu się nie sprawdza.

Jak działają inwertory solarne?

By wyjaśnić działanie inwertorów solarnych powinniśmy zacząć od absolutnych podstaw. Słońce posyła promienie w stronę komórek fotowoltaicznych. Te komórki są stworzone z warstw półprzewodników (zazwyczaj krystalicznego krzemu) i są ułożone w swoistych panelach. Warstwy półprzewodników posiadają ładunku dodatnie i ujemne - są połączone ze sobą.

Prosto rzecz ujmując, gdy słońce świeci, materiał półprzewodniczy pobiera światło, transferuje jego energię do komórki. Ta uwalnia elektrony, które zaczynają się przemieszczać między warstwami, dostarczając prąd bezpośredni. Stworzona w ten sposób energia jest później albo przechowywana w akumulatorze do późniejszego użytku, albo od razu wysłana do inwertora, w zależności od naszej instalacji.

Dla użytku codziennego potrzebny jest prąd zmienny, którego używa większość urządzeń domowych. Tutaj właśnie zachodzi potrzeba skorzystania z inwertora, który sprawia, że prąd bezpośredni zachowuje się podobnie do tego zmiennego.

Sinusoidy

Bezpośredni prąd tworzony przez komórki fotowaltaicznej nie musi posiadać formy falowej, ale zamiast tego bardziej przypomina prostą linię (stąd nazwa). Aby stać się prądem zmiennym, musi stać się sinusoidą (na osi x-y sinusoida jest linią wzrastającą do góry od zera do jakiegoś punktu, a następnie spadająca znow do zera - zwie się ją gercem. Przeciętna sinusoida ma 60 herców na sekundę).

Prąd zmienny używany przez linię energetyczną każdego miasta jest sinusoidą. W płynny sposób porusza się w górę i w dół w sinusoidalny sposób. Oczywiście inwertor, który tworzy taką idealną sinusoidę często kosztuje wiecej, niż każdy inny - jedynie te najdroższe inwertory solarne są w stanei tworzyć takie "ideały".

Zmodyfikowana fala sinusoidalna z kolei wzrasta w górę w sposób płynny aż do pewnego punktu, by następnie krok po kroku wracać do pierwotnego położenia - na wykresie przypomina schody. Podczas gdy większość urządzeń powinna działać na tego typu fali, część równie dobrze może nie działać (na przykład: telewizja i komputery będą działać, a niektóre mikrofalówki czy pralki mogą mieć z tym problem). Okazuje się także, że niektóre urządzenia z silnikami używają więcej energii korzystając z takich zmodyfikowanych fal sinusoidalnych.

Należy zwrócić uwagę, że efektywność zmodyfikowanych fal sinusoidalnych może się różnić w zależności od różnych inwertorów. Najmniej efektywnie zmodyfikowane fale są użyteczne jedynie do małych urządzeń, jak na przykład tostery.

W przypadku inwertorów sprawdza się powiedzenie, że im więcej płacisz, tym więcej dostajesz.