Materiały wykorzystywane w produkcji paneli fotowoltaicznych - z czego zbudowane są panele PV?

Instalacje fotowoltaiczne to rozwiązanie coraz częściej wybierane zarówno przez przedsiębiorców, jak i osoby prywatne. Podstawowym elementem instalacji solarnej są panele fotowoltaiczne, złożone z modułów. Na rynku znajdziemy szeroki wybór paneli fotowoltaicznych od różnych producentów. 

Panele fotowoltaiczne – co to jest?

Panele fotowoltaiczne są stosowane do wytwarzania energii elektrycznej w instalacjach fotowoltaicznych. Mogą być montowane na dachach budynków, strukturach naziemnych lub w innych miejscach, gdzie mają dostęp do światła słonecznego. Panele fotowoltaiczne są jednym z najbardziej popularnych i ekologicznie przyjaznych źródeł energii odnawialnej, ponieważ nie emitują szkodliwych substancji ani dwutlenku węgla podczas produkcji energii.

Panele fotowoltaiczne  to najważniejszy element całej instalacji PV. Składają się z modułów fotowoltaicznych, nazywanych często także ogniwami fotowoltaicznymi. Działanie modułów fotowoltaicznych polega przede wszystkim na przekształceniu energii solarnej w energię elektryczną, dzięki czemu można wykorzystać w gospodarstwie lub przedsiębiorstwie prąd, płynący ze środowiska.

Jakie materiały wykorzystuje się do produkcji ogniw fotowoltaicznych?

Do produkcji ogniw fotowoltaicznych wykorzystuje się głównie materiały półprzewodnikowe. Najczęściej stosowanym materiałem półprzewodnikowym jest krzem (Si), który ma bardzo dobre właściwości fotowoltaiczne i stanowi podstawowy składnik większości paneli fotowoltaicznych na rynku.

Niektórzy producenci oprócz krzemu do produkcji ogniw fotowoltaicznych wykorzystują także inne materiały, takie jak:

• Tellur (Te): Jest stosowany w ogniwach fotowoltaicznych typu CdTe (cadmium telluride). Panele oparte na tym materiale mają niskie koszty produkcji i dobrą wydajność w warunkach słabego oświetlenia.
• Gal/GaAs (gal/GaAs): Materiały te są używane w ogniwach fotowoltaicznych III generacji, takich jak ogniwa wieloogniwowe i ogniwa skoncentrowane. Mają one wysoką efektywność konwersji, ale są bardziej kosztowne w produkcji.
• CIGS (copper indium gallium selenide): Jest to inny rodzaj ogniw fotowoltaicznych III generacji, w których wykorzystuje się miedź (Cu), indu (In), gal (Ga) i selen (Se). Ogniwa CIGS charakteryzują się wysoką efektywnością konwersji i elastycznością, co umożliwia ich zastosowanie w różnych aplikacjach.

Co więcej, wciąż prowadzone są badania nad nowymi półprzewodnikami, które mogłyby być wykorzystane do produkcji ogniw fotowoltaicznych o lepszych właściwościach. Pod uwagę brane są takie materiały jak: perowskity, organiczne materiały półprzewodnikowe czy nanomateriały.

Budowa i sposób działania ogniw fotowoltaicznych

W ogniwie fotowoltaicznym zawiera się konkretne pierwiastki chemiczne, które odpowiadają za działanie całego systemu. Jak już wspomnieliśmy wcześniej, większość producentów korzysta z krzemu, który posiada aż cztery elektrony walencyjne. Im więcej takich elektronów w ogniwie, tym szybciej postępuje zjawisko fotoemisji.

Zjawisko fotoemisji to proces przemieszczania się ładunków elektrycznych wewnątrz ogniwa fotowoltaicznego. Dzięki płytce, która ma zarówno dodani, jak i ujemny ładunek, wytwarzane jest pole elektryczne. W momencie, kiedy na moduł pv padają promienie słoneczne, wytwarzają się dodatkowe elektrony, które podczas przemieszczania wytwarzają napięcie elektryczne. Dzięki takiej technologii dochodzi do powstania prądu stałego, który musi zostać przekształcony w prąd przemienny przy pomocy falownika, aby można było z niego korzystać w gospodarstwie domowym. Cały proces przebiega praktycznie naturalnie i pozwala na sprawną produkcję energii, co sprawia, że firmy chętnie korzystają z paneli pv w swoich zakładach pracy. 

Budowa panelu fotowoltaicznego i rodzaje ogniw fotowoltaicznych

Produkcja paneli fotowoltaicznych zakłada wykorzystanie ogniw fotowoltaicznych w różnych rodzajach. Wyróżniamy trzy generacje ogniw fotowoltaicznych, które można spotkać na rynku. 

Ogniwa fotowoltaiczne I generacji

Ogniwa fotowoltaiczne I generacji są wykonane z pojedynczych warstw krzemu, które są domieszkowane tak, aby utworzyć warstwę półprzewodnikową o różnym ładunku elektrycznym. W ogniwie fotowoltaicznym I generacji powstaje pole elektryczne na granicy dwóch warstw półprzewodnikowych, co umożliwia generowanie prądu elektrycznego.

Wśród ogniw fotowoltaicznych I generacji wyróżniamy:

• Ogniwa monokrystaliczne: Wykonane z jednego kryształu krzemu. Charakteryzują się wysoką wydajnością, ale są droższe w produkcji.
• Ogniwa polikrystaliczne: Wykonane z wielu drobnych kryształów krzemu. Mają nieco niższą wydajność niż ogniwa monokrystaliczne, ale są tańsze w produkcji.
• Ogniwa amorficzne: Wykonane z cienkiej warstwy krzemu o nieregularnej strukturze. Są tańsze w produkcji i mogą być elastyczne, ale mają niższą wydajność i trwałość niż ogniwa krystaliczne.

Ogniwa fotowoltaiczne I generacji mają średnią wydajność konwersji energii słonecznej, zwykle oscylującą wokół 15-20%. Ogniwa te są szeroko stosowane w instalacjach fotowoltaicznych na dachach budynków, farmach fotowoltaicznych oraz w urządzeniach zasilanych energią słoneczną, takich jak latarnie uliczne i systemy zasilania na odludziu.

Ogniwa fotowoltaiczne II generacji

Podobnie jak ogniwa I generacji zbudowane są ze złącza n-p, jednak nie z krzemu krystalicznego. Do takich modułów wykorzystuje się tellur, kadm, mieszanki miedzi, indu, galu, selenu czy krzemu amorficznego. Proces produkcji przebiega z wykorzystaniem napylania, naparowywania i epitaksji.

Ogniwa fotowoltaiczne II generacji mają zróżnicowaną wydajność, ale cechują się ogólnie niższymi kosztami produkcji w porównaniu do ogniw I generacji. Mają one potencjał do dalszego rozwoju i stosowania w różnych aplikacjach, zarówno w dużych farmach fotowoltaicznych, jak i w zintegrowanych urządzeniach o niskiej mocy.

Ogniwa fotowoltaiczne III generacji

Ogniwa fotowoltaiczne III generacji to zaawansowane technologie fotowoltaiczne, które mają na celu dalsze zwiększenie wydajności, elastyczności i różnorodności zastosowań. 

Rodzaje ogniw fotowoltaicznych III generacji

• Ogniwa wieloogniwowe (Multi-Junction Cells): Ogniwa wieloogniwowe składają się z kilku warstw półprzewodnikowych o różnych przerwach energetycznych. Każda warstwa jest odpowiedzialna za absorpcję innej części widma światła, co pozwala na wydajniejsze wykorzystanie energii słonecznej.
• Ogniwa skoncentrowane (Concentrator Cells): Ogniwa skoncentrowane wykorzystują systemy soczewek lub zwierciadeł, aby skoncentrować światło słoneczne na małej powierzchni ogniw. Dzięki temu można zmniejszyć koszt materiałów półprzewodnikowych, co sprawia, że panele fotowoltaiczne są bardziej przystępne cenowo. Ogniwa skoncentrowane są często stosowane w dużych farmach fotowoltaicznych.
• Organiczne ogniwa fotowoltaiczne: Organiczne ogniwa fotowoltaiczne wykorzystują polimerowe materiały organiczne jako materiał półprzewodnikowy. Mają one potencjał do tańszej produkcji i elastyczności, co umożliwia ich zastosowanie w zakrzywionych powierzchniach i elastycznych urządzeniach. Obecnie badania nad organicznymi ogniwami fotowoltaicznymi skupiają się na poprawie wydajności i trwałości.
• Ogniwa kwantowe (Quantum Dot Cells): Ogniwa kwantowe wykorzystują nanostruktury zwane kropkami kwantowymi, które mogą wykazywać właściwości półprzewodnikowe. Ogniwa te mają potencjał do efektywnego wykorzystania szerokiego zakresu światła słonecznego i mogą być dostosowywane do konkretnych spektralnych wymagań. 

Ogniwa fotowoltaiczne III generacji mają duży potencjał do dalszego zwiększania wydajności i obniżania kosztów produkcji energii słonecznej. Stanowią obszar intensywnych badań naukowych i rozwoju technologicznego w celu wprowadzenia bardziej zaawansowanych i efektywnych rozwiązań fotowoltaicznych.

Instalacje OZE – dlaczego warto korzystać z odnawialnych źródeł energii

Stosowanie instalacji, związanych z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii jest coraz bardziej popularne. Już za kilka lat w życie mają wejść przepisy o obowiązkowym stosowaniu fotowoltaiki w nowopowstałych budynkach, a z czasem obejmie to także starsze konstrukcje. 

Rozwój technologii pv i popularność paneli fotowoltaicznych bierze się między innymi z troski o środowisko, ale też z chęci uzyskania niezależności energetycznej oraz względów ekonomicznych. Moduły fotowoltaiczne to opłacalna inwestycja, która przyczyniła się do wzrostu ilości producentów paneli fotowoltaicznych na światowym rynku. Darmowy prąd, wysoka wydajność systemów fotowoltaicznych oraz prostota działania całego mechanizmu skłaniają coraz więcej osób do inwestycji w panele słoneczne.