Fotowoltaika to bezpośrednie przekształcenie światła w energię elektryczną na poziomie atomowym. Niektóre materiały wykazują właściwość znaną jako efekt fotoelektryczny, który powoduje pochłanianie fotonów światła i uwalnianie elektronów. Po wychwyceniu wolnych elektronów uzyskuje się prąd elektryczny, który można wykorzystać jako energię elektryczną.

infoplanet oze jak dziala fotowoltaika dowiedz sie

Efekt fotoelektryczny

Efekt fotoelektryczny został po raz pierwszy odnotowany przez francuskiego fizyka Edmunda Becquerela w 1839 roku, który odkrył, że niektóre materiały wytwarzają niewielkie ilości prądu elektrycznego po wystawieniu na działanie światła. W 1905 roku Einstein opisał naturę światła i efekt fotoelektryczny, na którym opiera się technologia fotowoltaiczna, za co później zdobył nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Pierwszy panel fotowoltaiczny został zbudowany przez Bell Labs w 1954 roku. Bateria słoneczna uważano wówczas za ciekawostkę, ponieważ była zbyt droga, by uzyskać powszechne zastosowanie. W latach 60. przemysł kosmiczny zaczął po raz pierwszy poważnie wykorzystywać tę technologię, by dostarczać energię na pokład statku kosmicznego. Dzięki programom kosmicznym zaawansowana technologia została wdrożona, a jej koszty zaczęły spadać. Podczas kryzysu energetycznego w latach 70. XX wieku fotowoltaika zyskała uznanie jako źródło mocy dla zastosowań innych niż kosmiczne.

infoplanet oze jak dziala fotowoltaika efekt fotoelektryczny

Ogniwa fotowoltaiczne, zwanego także ogniwami słonecznymi, są wykonane z tego samego rodzaju materiałów półprzewodnikowych, takich jak krzem, stosowanych w przemyśle mikroelektronicznym. W przypadku ogniw słonecznych cienka płytka półprzewodnikowa jest specjalnie obrobiona, aby utworzyć pole elektryczne, z jednej strony dodatnia, a z drugiej ujemna. Kiedy energia świetlna uderza w ogniwo słoneczne, elektrony są odpychane z atomów w materiale półprzewodnikowym. Jeżeli przewody elektryczne są podłączone do dodatnich i ujemnych stron, tworząc obwód elektryczny, elektrony mogą być przechwytywane w postaci prądu elektrycznego - to znaczy elektryczności. Ta energia elektryczna może być następnie użyta do zasilania ładunku, takiego jak światło lub narzędzie elektryczne.

Nośne konstrukcje

Wiele ogniw słonecznych połączonych ze sobą elektrycznie i zamontowanych w konstrukcji nośnej lub ramie to moduł fotowoltaiczny. Moduły są zaprojektowane do dostarczania energii elektrycznej przy określonym napięciu, takim jak wspólny system 12 woltów. Wytworzony prąd jest bezpośrednio zależny od ilości światła padającego na moduł.

Wiele modułów może być połączonych ze sobą w celu utworzenia macierzy. Ogólnie rzecz biorąc, im większy jest obszar modułu lub macierzy, tym więcej energii elektrycznej będzie wytwarzane. Moduły i panele fotowoltaiczne wytwarzają prąd stały. Mogą być połączone w szeregowe i równoległe układy elektryczne w celu wytworzenia dowolnej wymaganej kombinacji napięcia i prądu.

infoplanet oze jak dziala fotowoltaika nosne konstrukcje

Współczesne najpopularniejsze urządzenia fotowoltaiczne wykorzystują pojedyncze złącze lub interfejs do tworzenia pola elektrycznego w półprzewodniku, takim jak ogniwo fotowoltaiczne. W jednokierunkowym ogniwie fotowoltaicznym tylko fotony, których energia jest równa lub większa niż pasmo wzbronione materiału komórkowego, mogą uwalniać elektrony dla obwodu elektrycznego. Innymi słowy, odpowiedź fotowoltaiczna ogniw z pojedynczym złączem jest ograniczona do części widma słońca, której energia znajduje się powyżej pasma wzbronionego materiału absorpcyjnego, a fotony o niższej energii nie są używane.

Urządzenia wielozłączowe

Jednym ze sposobów obejścia tego ograniczenia jest użycie dwóch (lub więcej) różnych komórek, z więcej niż jedną przerwą pasma i więcej niż jednym złączem, w celu wygenerowania napięcia. Są one nazywane komórkami „wieloczynnościowymi” (zwanymi również komórkami „kaskadowymi” lub „tandemowymi”). Urządzenia wielopozycyjne mogą osiągnąć wyższą całkowitą sprawność konwersji, ponieważ mogą przekształcić więcej spektrum energii światła w energię elektryczną.

Urządzenie wielozłączowe jest stosem pojedynczych komórek z pojedynczym złączem w malejącej kolejności pasma wzbronionego (Eg). Górna komórka wychwytuje wysokoenergetyczne fotony i przekazuje resztę fotonów do absorpcji przez komórki o mniejszym pasmie.

infoplanet oze jak dziala fotowoltaika urzadzenia wielozlaczowe

Większość dzisiejszych badań w komórkach wielozłączowych skupia się na arsenku galu jako jednej (lub wszystkich) komórce składowej. Takie komórki osiągnęły wydajność około 35% w warunkach skoncentrowanego światła słonecznego. Inne materiały badane dla urządzeń wielozłączowych to amorficzny krzem i disulfid indu miedzi.