Od fotonu do wolta: Jak działa ogniwo słoneczne? Icon

Od fotonu do wolta: Jak działa ogniwo słoneczne?

Wprowadzenie: Energia słoneczna w półprzewodniku

Czy to instalacja solarna, moduł solarny, czy ogniwo słoneczne – we wszystkich tych terminach kryje się słowo „solar", pochodzące od łacińskiego „solaris", co oznacza „dotyczący słońca". Ciepłe promienie naszego słońca, oprócz swojej życiodajnej funkcji, oferują również ogromne korzyści techniczne.

Sercem każdej instalacji fotowoltaicznej jest zawsze ta sama idea: energia świetlna jest bezpośrednio przekształcana w energię elektryczną. Dzieje się tak, ponieważ specjalne półprzewodniki, takie jak krzem, mogą uwalniać elektrony pod wpływem światła. W tym artykule dowiesz się, jak dokładnie przebiega ten proces.

Efekt fotowoltaiczny: Podstawa

W efekcie fotowoltaicznym, pod pewnymi warunkami materiałowymi, padające fotony (cząstki światła) wybijają elektrony z ich atomowych orbit. Ale jak z światła powstaje użyteczny prąd? Tutaj w grę wchodzi złącze P-N.

Co to jest złącze P-N?

Złącze P-N opisuje strefę graniczną między dwoma różnymi materiałami półprzewodnikowymi o specjalnych właściwościach przewodzących. Ta strefa graniczna powstaje poprzez tzw. domieszkowanie – celowe wprowadzanie obcych atomów do krzemu:

  • Krzem domieszkowany P (np. borem): Ma wolne miejsca elektronowe, działa jako strona dodatnia (atomy akceptorowe)
  • Krzem domieszkowany N (np. fosforem): Ma wolne elektrony, działa jako strona ujemna (atomy donorowe)
  • Strefa ładunku przestrzennego: Na granicy między obszarem P i N powstaje pole elektryczne odpowiedzialne za rozdział ładunków

Wolne elektrony na granicy elementu N wędrują na wolne miejsca elektronowe elementu P. W ten sposób w strefie granicznej powstaje pole elektryczne.

Od fotonu do napięcia: Proces krok po kroku

Cały proces od fotonu do wolta można wyjaśnić za pomocą następujących kroków:

  1. Foton uderza w strefę graniczną: Cząstka światła dociera do złącza P-N lub jego okolicy
  2. Elektron się uwalnia: Foton przekazuje swoją energię elektronowi, który uwalnia się z atomu, pozostawiając pozytywnie naładowaną „dziurę"
  3. Rozdział ładunków: Pole elektryczne strefy ładunku przestrzennego przemieszcza elektrony do strony N, a dziury do strony P
  4. Powstaje napięcie: Dzięki przestrzennemu rozdziałowi ładunków powstaje użyteczne napięcie elektryczne
  5. Prąd płynie: Po podłączeniu odbiornika płynie prąd elektryczny – można zasilać urządzenia domowe, pompy ciepła lub inne zastosowania

Schematyczne przedstawienie ogniwa słonecznego ze złączem P-N i przepływem elektronów

Einstein i efekt fotoelektryczny

Co wielu nie wie: Albert Einstein otrzymał Nagrodę Nobla nie za słynną teorię względności z formułą E=mc², ale za wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego w 1921 roku. Efekt fotowoltaiczny jest szczególnym przypadkiem efektu fotoelektrycznego.

Bez odkryć Einsteina nowoczesne technologie, takie jak smartfony, internet, mikrochipy i właśnie instalacje fotowoltaiczne, nie byłyby możliwe.

Ważne wskaźniki ogniwa słonecznego

Sprawność modułu

Sprawność określa, ile z padającej energii słonecznej jest faktycznie przekształcane w energię elektryczną:

  • Moduły monokrystaliczne: 18–24% (najwyższa sprawność)
  • Moduły polikrystaliczne: 15–20% (dobry stosunek jakości do ceny)
  • Moduły cienkowarstwowe: 8–15% (łatwa integracja, elastyczne zastosowania)
  • Ogniwa eksperymentalne: Do 47% w laboratorium (ogniwa tandemowe)

Dla porównania: stara żarówka przekształca tylko około 5% energii w światło – reszta traci się jako ciepło.

Współczynnik temperaturowy

Wzrost temperatury modułu obniża napięcie, a tym samym wydajność. Typowe wartości:

  • Przy wzroście temperatury o 1°C wydajność spada o około 0,3–0,5%
  • Przy temperaturze modułu 40°C zamiast 25°C (warunki standardowe) moduł traci już 4,5–7,5% wydajności

Zacienienie i diody obejściowe

Częściowe zacienienie modułu znacznie zmniejsza prąd – nie tylko proporcjonalnie do zacienionej powierzchni. Diody obejściowe ograniczają te straty, omijając zacienione ogniwa.

Przegląd materiałów

Technologia Sprawność Zalety Wady
Monokrystaliczna 18–24% Najwyższa wydajność, długa żywotność Wyższe koszty
Polikrystaliczna 15–20% Tańsza, sprawdzona technologia Nieco niższa wydajność
Cienkowarstwowa 8–15% Elastyczna, lekka, odporna na częściowe zacienienie Najniższa sprawność

Podsumowanie

Na skróty: Ogniwo słoneczne jest sercem każdej instalacji fotowoltaicznej. Dzięki efektowi fotowoltaicznemu i sprytnemu układowi z domieszkowanych półprzewodników światło słoneczne jest bezpośrednio przekształcane w prąd elektryczny.

Kolejny krok: Budowa instalacji PV: Od modułu do zasilania

Źródła i dalsza lektura

Oblicz teraz wydajność PV

Nasz bezpłatny Kalkulator słoneczny oblicza oczekiwaną produkcję energii, zużycie własne i opłacalność Twojej instalacji fotowoltaicznej na podstawie aktualnych danych PVGis.

→ Do kalkulatora słonecznego