Rozdział 2 Energia słoneczna

Rozdział 2 Rozdział 2 Energia słoneczna 2.1. Wprowadzenie 2.2. Historia 2.3. Typy systemów fotowoltaicznych 2.4. Budowa i charakterystyki ogniw PV 2.5. Technologia słoneczna 2.6. Alternatywne materiały dla ogniw fotowoltaicznych 2.7. Zastosowania energii słonecznej 2.8. Podsumowanie Odnawialne źródła energii / Energia słoneczna 27

2.1 Wprowadzenie Większość z nas przyzwyczaiła się już do ogniw słonecznych, gdyż używamy ich i spotykamy się z nimi na co dzień w kalkulatorach, lampach ulicznych i wielu znakach drogowych. Jeśli tylko te urządzenia mają wystarczającą ilość światła, wydaje się, że mogą pracować wiecznie. Ogniwa słonecznie (nazywane też fotowoltaicznymi) zbudowane są z wielu, połączonych ze sobą, indywidualnych komórek, wykonanych z materiałów nazywanych półprzewodnikami. Półprzewodniki są specjalnym rodzajem materiałów, które przewodzą elektrony w efekcie pochłaniania światła. Więcej informacji na temat teorii stojących za ogniwami słonecznymi przedstawione zostanie w sekcji 2.5. 1839 Ilustracja 2-1. Prototyp Helios zaprojektowany przez AeroVironment i testowany przez NASA. Bezzałogowy aparat latający zasilany przy pomocy paneli słonecznych i ogniw paliwowych Francuski fizyk Edmund Becquerel jako pierwszy wykrył napięcie pojawiające się po oświetleniu metalowej elektrody zanurzonej w słabym roztworze elektrolitu 2.2 Historia Ogniwa słoneczne zostały odkryte w 1839 roku przez dziewiętnastowiecznego francuskiego fizyka, Edmunda Becquerela, któremu udało się uzyskać napięcie elektryczne w wyniku oświetlenia elektrody w słabym roztworze elektrolitu [12, 13]. W 1876 Adams i Day jako pierwsi badali efekt fotowoltaiczny w ciałach stałych. Zbudowali oni selenowe ogniwo słoneczne o wydajności 1 2% [12,13]. Charles Fritts rozwinął technologię fotowoltaiczną (PV) pokrywając w 1883 roku selen ekstremalnie cienką warstwą złota w celu utworzenia złącza p-n. W 1904 roku Albert Einstein opublikował teoretyczne wyjaśnienie efektu fotowoltaicznego, za co otrzymał Nagrodę Nobla w 1923 roku. W tym samym czasie polski naukowiec Jan Czochralski rozpoczął prace nad metodą otrzymywania monokryształów krzemu. W latach czterdziestych i pięćdziesiątych dwudziestego wieku metoda ta była używana do otrzymywania monokryształów krzemu, wykorzystywanych w pierwszej generacji fotoogniw 1876 1904 1916 Lata 1940 Lata 1950 1958 Lata 1980 Lata 1900 - do teraz Adams i Day jako pierwsi badali efekt fotowoltaiczny w ciałach stałych. Zbudowali oni selenowe ogniwo słoneczne o wydajności 1 2% Albert Einstein opublikował teoretyczne wyjaśnienie efektu fotowoltaicznego Jan Czochralski rozpoczął prace nad metodą otrzymywania monokryształów krzemu Pierwsza generacja fotoogniw z monokryształów krzemu Pierwsze próby komercyjnego wykorzystania paneli słonecznych Pierwszy komercyjny panel słoneczny wykorzystany w satelicie NASA Vanguard I Panele słoneczne zostają wykorzystane w urządzeniach powszechnego użytku Koszt paneli PV wciąż maleje, dzięki czemu stają się one powszechnie dostępne i są coraz szerzej wykorzystywane Ilustracja 2-2. Historia ogniw słonecznych 28 Energia słoneczna / Odnawialne źródła energii

6 1992 1993 5 1994 1995 4 1996 1997 1998 3 1999 2001 2000 2004 2002 2005 2003 2 2006 2007 1 2008 2009 2010 2011 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Rozdział 2 Ilustracja 2-3. Wielkość i koszt produkcji fotoogniw krzemowych. Technika ta jest wykorzystywana do dziś na skalę przemysłową [13, 14]. W roku 1946 Russell Ohl opatentował nowoczesne ogniwo słoneczne wykorzystujące złącze półprzewodnikowe (U. S. Patent 2 402 662, Light sensitive device ), które odkrył wykonując szereg badań, prowadzących w rezultacie do wynalezienia tranzystora [14]. Podsumowanie historii ogniw słonecznych przedstawione jest na Ilustracji 2-2. Już w początkach lat 50 dwudziestego wieku pojawiło się wiele prób komercyjnego wykorzystania paneli słonecznych. Jednak koszt ich był zbyt wysoki. Nowa era w technologii solarnej rozpoczęła się w roku 1954, gdy w laboratoriach Bell a rozpoczęto eksperymenty z krzemem nasycanym różnymi domieszkami. Okazał się on bardzo czuły na światło [14]. W efekcie tych badań rozpoczęto produkcję pierwszych ogniw słonecznych o efektywności konwersji energii słonecznej na poziomie 6%. Ogniwa fotowoltaiczne najpierw stały się praktycznym źródłem energii dla NASA. Po raz pierwszy zostały użyte w 1958 roku w satelicie Vanguard I, zbudowanym przez Hoffman Electronics [14]. Włączenie ogniw słonecznych do zastosowań kosmicznych było łatwe, ponieważ ich koszt miał dużo mniejsze znaczenie, niż zajmowana przestrzeń i niezawodność. Ogniwa słoneczne są używane w satelitach i innych pojazdach kosmicznych do dzisiaj. Podczas kryzysu energetycznego w latach 70- tych dwudziestego wieku rozwiązania i projekty zrealizowane przez NASA zaczęły być wykorzystywane przez firmy komercyjne. W końcu lat 80-tych dwudziestego wieku zredukowany koszt i zwiększona efektywność pozwoliły na zastosowanie fotoogniw w urządzeniach powszechnego użytku, takich jak kalkulatory, znaki drogowe, telefony ratunkowe czy niewielkie instalacje domowe. Chociaż w latach 90-tych dwudziestego wieku ceny fotoogniw znacząco spadły, to nadal rozwiązania te były ponad dwukrotnie droższe od klasycznych technologii [12, 14]. Ilustracja 2-3 prezentuje spadek kosztów produkcji w całym przemyśle fotoogniw od 1992 roku. a Ilustracja 2-4. Systemy fotowoltaiczne z panelami płaskimi (a) oraz koncentratorem słonecznym (b) b Odnawialne źródła energii / Energia słoneczna 29

2.3 Typy systemów fotowoltaicznych Obecnie na rynku dostępne są dwa główne typy systemów fotowoltaicznych: panele płaskie i koncentratory. Najpopularniejsze są systemy płaskie, składające się z modułów fotowoltaicznych umieszczonych na sztywnej, płaskiej powierzchni, bezpośrednio absorbujących promienie słoneczne. Systemy fotowoltaiczne z koncentratorami wykorzystują lustra lub soczewki o odpowiedniej konstrukcji, które skupiają światło słoneczne na małym obszarze fotoogniw. Takie rozwiązania redukują ilość wykorzystywanego materiału półprzewodnikowego i zwiększają wydajność całego systemu. Jeśli taki system posiada jeszcze układ śledzenia w jednej lub dwóch osiach, to nazywany jest heliostatycznym koncentratorem fotowoltaicznym (HCPV). Chociaż systemy te mają wiele zalet, ich wykorzystanie jest ograniczone przez wysokie koszty wchodzących w ich skład urządzeń skupiających, śledzących i chłodzących [14]. Porównując te dwa systemy można stwierdzić, że panele płaskie są zwykle znacznie mniej skomplikowane, ale wymagają użycia większej liczby fotoogniw. Natomiast systemy z koncentratorami wykorzystują niewielką powierzchnię ogniw, ale wymagają bardziej zaawansowanych i kosztownych mechanizmów śledzenia. Przykładowe rozwiązania tych systemów zaprezentowane są na Ilustracji 2-4. 2.4 Budowa i charakterystyki ogniw PV Obecnie proste i ogólnie dostępne systemy fotowoltaiczne zasilają znaczą część małych kalkulatorów i zegarków na rękę. Większe systemy PV dostarczają energię elektryczną pompom wodnym. Są źródłem energii dla urządzeń komunikacyjnych, a nawet oświetlają mieszkania i zasilają znajdujące się w nich urządzenia. Ogniwa fotowoltaiczne, ze względu na uzyskany znaczny wzrost efektywności konwersji energii oraz spadek cen paneli PV, stały się jednym z głównych, nowoczesnych źródeł energii. Pojedyncze ogniwa słoneczne (zwane też komórkami) zamykane są w obudowach i łączone w zestawy zwane modułami. Panele fotowoltaiczne przykrywane są szklaną płytą, która zabezpiecza płytki półprzewodnikowe, równocześnie przepuszczając światło. Ponieważ pojedyncze ogniwo słoneczne dostarcza napięcia na poziomie tylko 0,5 V, nie jest ono w stanie samodzielnie zasilać większości typowych urządzeń [14]. Z tego powodu łączy się szeregowo większą ilość komórek, dzięki czemu ich napięcia sumują się. W celu uzyskania większej wydajności prądowej, komórki mogą być łączone równolegle. Ilustracja 2-5 prezentuje zalaminowane komórki PV, monokrystaliczną płytkę krzemową oraz polikrystaliczne komórki fotowoltaiczne. a b Ilustracja 2-5. (a) Moduł fotowoltaiczny wykonany z polikrystalicznych komórek PV, nałożonych na materiał nośny, (b) monokrystaliczna płytka krzemowa 30 Energia słoneczna / Odnawialne źródła energii

Moc wyjściowa paneli słonecznych mierzona jest w watach, przy czym często podawana jest w jednostkach pochodnych. Energia generowana przez panel słoneczny wprowadzana jest do sieci elektrycznej przy użyciu inwertorów. W systemach autonomicznych (nie dołączonych do sieci) energia, która nie jest na bieżąco zużywana, może być gromadzona w akumulatorach. 2.5 Technologia słoneczna Gdy komórka PV poddawana jest działaniu promieniowania słonecznego, fotony absorbowanego światła wybijają z atomów w fotoogniwie elektrony. Te uwolnione elektrony przemieszczają się wewnątrz fotoogniwa, tworząc i wypełniając w nim dziury. Właśnie ten ruch elektronów i dziur generuje elektryczność (siłę elektromotoryczną). Proces konwersji światła słonecznego na elektryczność nazywany jest efektem fotowoltaicznym. Rozdział 2 Światło jest formą energii. Gdy energia światła wnika do materiału wprawia w ruch elektrony. Uwolnione elektrony przemieszczają się wewnątrz materiału i przyciągane są przez materiały przewodzące elektrony, czyli przewodniki. W celu zebrania tych elektronów i użycia ich do zasilania, gromadzi się je przy pomocy materiału przewodzącego prąd, takiego jak miedź. Ten strumień elektronów (czyli prąd) i napięcie na fotoogniwie (będące rezultatem pola elektrycznego), to właśnie moc, którą dostarczają ogniwa słoneczne. W celu zwiększenia uzyskiwanej mocy wiele ogniw fotowoltaicznych łączy się w moduły, a z nich buduje się większe jednostki nazywane macierzami. Dostępność różnych typów zestawów fotoogniw pozwala projektantom budować systemy PV o różnej mocy wyjściowej, do najróżniejszych zastosowań. Kompletny system fotowoltaiczny składa się nie tylko z modułów PV, ale także systemu obsługi, okablowania, gromadzenia energii oraz urządzeń do konwersji. Zależność pomiędzy energią, pracą i mocą: Energia Energia jest wielkością określającą ilość pracy, która może być wykonana przez siłę. Istnieje wiele form energii, takich jak energia świetlna, dźwiękowa, cieplna, mechaniczna, chemiczna lub elektryczna. Każde naturalne zjawisko może być wyjaśniane poprzez rozłożenie go na rozmaite formy energii. Energia może być przekształcana z jednego rodzaju w drugi, ale sumaryczna ilość energii zawsze pozostaje tak sama. Praca Praca jest to ilość energii, która została przekazana z jednego systemu do drugiego. Ilość energii przekazywanej za pośrednictwem siły nazywana jest pracą mechaniczną. Jednostką pracy w układzie SI jest dżul (J). Jest to praca wykonana przez siłę 1 N (Niutona) na drodze 1 m (metra): Praca (J) = Siła (N) x Droga (m). Moc Moc określa tempo, w jakim praca jest wykonywana. Moc może być wyznaczona przy użyciu następującej zależności: Moc (waty) = Praca (dżule)/czas (sekundy) Odnawialne źródła energii / Energia słoneczna 31

2.5.1 Ruch elektronów w krzemie Atom krzemu zawiera 14 elektronów rozmieszczonych na trzech różnych powłokach. Pierwsze dwie powłoki są całkowicie wypełnione, trzecia powłoka jest częściowo pusta i posiada tylko cztery elektrony, co pokazano na Ilustracji 2-6. Aby atom był w stanie idealnym, powinien mieć w ostatniej powłoce osiem elektronów. W związku z tym, w celu zapełnienia pustych miejsc, współdzieli on cztery elektrony z sąsiadującymi atomami krzemu. Właśnie dlatego krzem tworzy struktury krystaliczne. Właściwości materiałowe krzemu w tym czystym stanie powodują, że jest on złym przewodnikiem, gdyż jego elektrony nie mogą się poruszać (są uwięzione w jego strukturze krystalicznej). Elektron walencyjny: Ilustracja 2-6. Krzem ma 14 protonów i elektronów, ale atomy najczęściej rysowane są tylko z elektronami walencyjnymi Elektrony znajdujące się w zewnętrznej, walencyjnej powłoce elektronowej atomu. Duże znaczenie elektronów w powłoce walencyjnej wynika z tego, że decydują one o sposobie reakcji z innymi obiektami. Jeśli w zewnętrznej powłoce jest mało elektronów walencyjnych, atom będzie chętniej wchodził w reakcje. Jeśli powłoka walencyjna jest pełna, atom będzie znacznie słabiej reagował z innymi atomami. W związku z tym, aby elektrony mogły się swobodnie poruszać, należy zmodyfikować podstawowe właściwości materiału. Uzyskuje się to poprzez wprowadzenie do krzemu domieszek. Dzięki wprowadzeniu do struktury materiału innych atomów, elektrony mogą zacząć się przemieszczać. Przykładowo, atom fosforu ma w zewnętrznej powłoce pięć elektronów. Jeżeli wprowadzimy go do struktury krzemu, połączy się on z jego atomami, ale pozostanie jeden elektron, który nie będzie związany. 2.5.2 Fotogeneracja nośników ładunku Gdy foton trafia w płytkę krzemową może zostać wchłonięty przez krzem, może odbić się od jego powierzchni lub przejść przez krzem.wszystko zależy od tego, czy energia fotonu jest większa czy mniejsza od szerokości wzbronionego pasma energetycznego. Foton: Cząstka elementarna, będąca podstawową porcją światła czyli inną formą promieniowania elektromagnetycznego. Energetyczne pasmo wzbronione: Zakres wartości energii w ciałach stałych, który nie może być przyjmowany przez elektrony. Wartość energii wymaganej, aby elektron z zewnętrznej powłoki mógł opuścić swoją orbitę i przejść do stanu swobodnego. 32 Energia słoneczna / Odnawialne źródła energii

Jeśli foton zostanie wchłonięty, jego energia zostaje przekazana elektronowi znajdującemu się w siatce krystalicznej. Elektron walencyjny jest standardowo ściśle związany z sąsiadującymi atomami jednak dodatkowa energia dostarczona przez foton wzbudza go i przenosi do warstwy przewodnictwa, co pozwala mu na poruszanie się wewnątrz półprzewodnika. Elektron przenosi się w inne miejsce (dziurę), pozostawiając dziurę w swojej dotychczasowej lokalizacji. Nazywa się to ruchem par dziura-elektron w półprzewodniku. 2.5.3 Widmo elektromagnetyczne i straty energii Widmo elektromagnetyczne obejmuje wiele różnych długości fal, a co za tym idzie wiele różnych poziomów energii. Rozdział 2 Widmo elektromagnetyczne: Pojęcie używane do określenia całego zakresu promieniowania świetlnego, od promieni gamma do fal radiowych. Zwykle utożsamiamy promieniowanie optyczne ze światłem, ale tęcza kolorów wchodząca w zakres światła widzialnego stanowi tylko drobną część znacznie szerszego zakresu energii. Większość z pozostałej części widma jest całkowicie lub częściowo pochłania przez atmosferę Ziemi. Jedyną metodą obserwacji tej części widma jest wejście w przestrzeń kosmiczną! Nazwy różnych przedziałów widma elektromagnetycznego pokazano na Ilustracji 2-7. Światło widzialne Nazwa fali Fale radiowe Mikrofale Podczerwień Ultrafiolet Promienie X Gamma Długość fali (metry) Rozmiar długości fali boisko piłkarskie człowiek pszczoła główka szpilki komórka bakteria wirus atom jądro Ilustracja 2-7. Widmo elektromagnetyczne Gdy obserwujesz tęczę po burzy, to faktycznie widzisz efekt rozszczepienia światła na fale o różnej długości. Ponieważ materiały fotowoltaiczne absorbują tylko określony zakres energii niektóre długości fal światła nie są wstanie utworzyć wolnych elektronów. W zależności od typu materiału, tylko określone ilości energii (1,1 ev dla krystalicznego krzemu) będą w stanie wprawić elektrony w ruch. Nazywa się to energią pasma wzbronionego danego materiału. Elektronowolt (ev): Elektronowolt (ev) jest fizyczną jednostką energii. Jest to ilość energii uzyskiwanej przez niezwiązany elektron w efekcie przyspieszania go różnicą potencjałów wynoszącą 1 wolt. 1 wolt (1 dżul / 1 kulomb) pomnożony przez ładunek elektronu (1,602 x 10-19 kulomba). Kulomb jest w układzie SI jednostką ładunku elektrycznego. Jest to ilość ładunku elektrycznego przenoszonego w ciągu sekundy przez prąd o natężeniu 1 ampera (A). Odnawialne źródła energii / Energia słoneczna 33

Czy jeżeli użyjemy materiału o faktycznie wąskim paśmie wzbronionym, będziemy mogli wykorzystać więcej fotonów? Szerokość pasma wzbronionego wyznacza także poziom (napięcie) pola elektrycznego i gdy jest za mała, to pochłaniane dodatkowo fotony nie zapewnią odpowiednio wysokiego napięcia, wymaganego do zasilania urządzeń. W celu zrównoważenia tych dwóch efektów przyjmuje się dla materiałów, z których tworzone są fotoogniwa, optymalną szerokość pasma wzbronionego na poziomie 1,4 ev [12, 13]. Występują także jeszcze inne straty energii. Elektrony muszą przemieszczać się z jednej strony ogniwa na drugą. Góra i dół ogniwa są zwykle pokryte metalem. Jednak większa jego część nie może być pokrywana, ponieważ fotony muszą być w stanie przenikać przez jego materiał, generując prąd elektryczny. Jeśli cała powierzchnia zostałaby pokryta stykami, nie pozostałoby miejsce, przez które światło mogłoby wnikać w materiał i wprawiać elektrony w ruch. Krzem jest półprzewodnikiem i jego rezystancja wewnętrzna jest dość wysoka, co oznacza, że elektrony z trudem przemieszczają się przez ten materiał. Przekształca się to na wysokie straty. Aby je zredukować, komórki podłączane są przy pomocy metalicznej siatki, która pokrywa część powierzchni. Ta siatka nie może być jednak zbyt drobna, gdyż rezystancja połączenia byłaby zbyt wysoka. Oznaczałoby to, że pokryto materiałem przewodzącym zbyt małą powierzchnię, żeby poprawnie zbierać elektrony. 2.5.4 Krzem i złącze P-N Gdy do czystego krzemu dostarczana jest energia, niewielka liczba elektronów uwalnia się z siatki krystalicznej, pozostawiając w niej dziury. Elektrony te próbują ustabilizować swój stan przez zlokalizowanie innej dziury. Elektrony te nazywane są nośnikami swobodnymi. Krzem z dodatkowymi elektronami atomów fosforu (domieszkowany) dysponuje wystarczającą ilością elektronów do przewodzenia prądu. Proces dodawania elektronów nazywany jest domieszkowaniem, a materiał krzemowy z atomami fosforu określany jest terminem krzem typu-n. Krzem może być także domieszkowany borem, który ma tylko trzy elektrony w zewnętrznej powłoce, a nie cztery, jak w przypadku krzemu. Ten rodzaj krzemu nazywany jest typu-p i w tym przypadku ma on wolne dziury, a nie elektrony. Te dziury poruszają się podobnie jak elektrony, ale przenoszą ładunek dodatni. Jeśli element z krzemu typu p zostanie złączony z krzemem typu N, dojdzie do przeniesienia elektronów z regionu o wysokiej koncentracji (strona typu n) do regionu o niskiej koncentracji (strona typu p). Elektrony w materiale typu N są odpychane przez elektrodę ujemną i mogą być przyciągnięte przez elektrodę typu p. Dziury w materiale typu p poruszają się w kierunku przeciwnym. Jeśli różnica potencjałów między elektrodami jest wystarczająco wysoka, elektrony w obszarze zubożonym zostają wyrwane ze swoich dziur i mogą poruszać się swobodnie. Strefa zubożona znika, a ładunki poruszają się poprzez diodę. Ilustracja 2-8 prezentuje złącze P-N przed i po rozpoczęciu ruchu elektronów. 34 Energia słoneczna / Odnawialne źródła energii

Typ P Typ N Typ P Typ N Dziury Elektrony Strefa zubożona Metalowe złącza umieszczone są na stronie typu N oraz stronie typu P komórki fotoogniwa. Elektrody te podłączone są z urządzeniem, które wymaga zasilania. Elektrony poruszają się ze strony typu N, poprzez przewód do zasilanego obciążenia, a stamtąd drugim przewodem do metalowego złącza z półprzewodnikiem typu P. Tutaj łączą się one z dziurami, które powstały poprzez utworzenie par elektron-dziura po stronie typu P lub zostały przeniesione przez złącze po ich utworzeniu po stronie typu N. Ilustracja 2-9 prezentuje koncepcję przepływy prądu poprzez złącze. 2.5.5 Temat zaawansowany: Inżynieria materiałowa Rozdział 2 Ilustracja 2-8. Złącze P-N Bateria Istotnym aspektem budowy systemów energii odnawialnej jest analiza typu materiałów przewodzących prąd i powodu, dla którego one ten prąd przewodzą. Strata elektronów zależy od tego, jak dokładnie poszczególne materiały są do siebie dopasowane (połączone), jak skutecznie przewodzą one elektrony oraz jak te elektrony przemieszczają się do zewnętrznego urządzenia, które jest zasilane. Prąd przepływa poprzez złącze Typ P Dziury Ilustracja 2-9. Podłączenie złącza P-N do zewnętrznego obciążenia Typ N - Elektrony Głównymi typami nośników ładunku w systemach energii odnawialnej są elektrony oraz jony. Utrata elektronów może zachodzić, gdy przemieszczają się one przez różne typy materiałów, przez materiały, które nie mają idealnej struktury krystalicznej oraz przez długie linie lub różne urządzenia elektroniczne. Straty jonów mają znacznie bardziej złożone przyczyny. Czasami jony także mogą być tracone w efekcie przemieszczania się przez różne materiały i nośniki. Aby zmniejszyć te straty elektronów i jonów, należy wykorzystywać materiały o wysokiej przewodności, zapewniające jak najlepszą ruchliwość elektronów i dziur oraz zapewnić dobre połączenia między materiałami, w celu uniknięcia strat elektronów w momencie, gdy przechodzą one z jednego materiału do drugiego. Odnawialne źródła energii / Energia słoneczna 35

2.5.5.1 Spadek napięcia spowodowany przemieszczaniem się ładunków Każdy materiał stawia opór przepływającym ładunkom w określonym stopniu i opór ten jest przyczyną spadku napięcia. Zjawisko to zachodzi w ogniwach słonecznych, ogniwach paliwowych i elektrolizerach. W przypadku ogniw słonecznych do strat tych przyczyniają się: materiał krzemowy oraz styki. W ogniwach paliwowych i elektrolizerach do strat przyczyniają się: elektrolit, katalizator, warstwy dyfuzji gazu, elektrody bipolarne i styki. Tego typu straty określane są terminem technicznym straty oporowe i oblicza się je przy użyciu prawa Ohma (więcej szczegółów dotyczących prawa Ohma znajduje się w Rozdziale 7). Rezystancja ogniwa paliwowego obejmuje straty elektronowe (R elek ) i jonowe (R jon ) [11]. Można to zapisać jako: V opor = i x R opor = i (R elek R jon ) R jon odpowiada za większość strat, ponieważ transport jonów jest znacznie bardziej kłopotliwy niż transport ładunków elektronowych. R jon reprezentuje jonową rezystancję elektrolitu, a R elek obejmuje całkowitą rezystancję elektryczną wszystkich pozostałych komponentów przewodzących, włączając w to bipolarne elektrody, połączenia między komorami oraz styki połączeniowe. Konduktywność: Cecha materiału, określająca zdolność tego materiału do przewodzenia ładunku elektrycznego. Przeciwieństwo rezystancji elektrycznej jest często określane w literaturze jako konduktywność (σ), która jest odwrotnością rezystancji: σ = 1 R opor Gdzie całkowita rezystancja ogniwa (R opor ) jest sumą elektronowej i jonowej rezystancji. Rezystancja zależy od rozmiaru, kształtu i rodzaju materiału, co opisuje równanie: R = L przew σ A przew Gdzie L przew jest długością (cm) przewodnika, A przew polem powierzchni przekroju poprzecznego (cm 2 ) przewodnika, a σ przewodnością właściwą (om -1 cm -1 ). Gęstość prądu: Natężenie prądu elektrycznego lub ładunku przepływającego przez jednostkę powierzchni. Jest miarą gęstości przepływu zgromadzonego ładunku. W układzie SI gęstość prądu elektrycznego wyrażana jest w amperach na metr kwadratowy (A/m 2 ). W wielu urządzeniach energii odnawialnej gęstość prądu mierzona jest w miliamperach na centymetr kwadratowy (ma/cm 2 ). Gęstość prądu j (A/cm 2 ) może być zdefiniowana jako: i j = A ogniwa Gdzie A ogniwa jest aktywną powierzchnią ogniwa paliwowego. 36 Energia słoneczna / Odnawialne źródła energii

Jeśli opór, na jaki napotykają poruszające się ładunki zostanie zmniejszony, wzrasta wydajność całego systemu. Ruch jonów oraz elektronów wewnątrz materiałów przebiega w odmienny sposób. W przewodnikach metalicznych należące do atomów elektrony walencyjne są odłączone i mogą swobodnie przemieszczać się wewnątrz metalu. W typowym przewodniku jonowym jony przemieszczają się z jednej strony na drugą, przeskakując między kolejnymi lokalizacjami jonów w materiale (podobnie jak w opisywanym w tej sekcji krzemie). Liczba nośników ładunku w przewodniku elektronowym jest znacznie wyższa niż w przewodniku jonowym. Sposób przemieszczania się elektronów i jonów pokazany został na Ilustracjach 2-10 i 2-11. W tabeli 2-1 zebrano, w celu porównania, parametry przewodników elektronowych i jonowych oraz wskazano systemy energii odnawialnej, w których te typy przewodników są używane. Ilustracja 2-10. Przepływ elektronów w metalach [11] Ilustracja 2-11. Przepływ jonów w krystalicznym przewodniku jonowym [11] Rozdział 2 Materiały Przewodność Komponenty Przewodniki elektronowe Materiały na ogniwa paliwowe i elektrolizery Metale 10 3 to 10 7 Półprzewodniki 10-3 to 10 4 Ogniwa słoneczne Przewodniki jonowe Elektrolity stałe / polimerowe 10-1 to 10 3 Elektrolit PEMFC używany w wielu ogniwach paliwowych i elektrolizerach Elektrolity płynne 10-3 to 10 3 roztwór kwasu Roztwór NaOH, fosforowego Tabela 2-1. Porównanie przewodnictwa elektronowego i jonowego w systemach energii odnawialnej (w oparciu o [11]) Odnawialne źródła energii / Energia słoneczna 37

2.6 Alternatywne materiały dla ogniw fotowoltaicznych Chociaż najbardziej typowym materiałem wykorzystywanym w ogniwach fotowoltaicznych jest krzem, często korzysta się także z innych materiałów. Czasami wykorzystuje się także krzem polikrystaliczny, który ma niższe koszty produkcji jednak ogniwa słoneczne wykonane z polikryształów nie są tak wydajne. Koszty mogą być także obniżane przez stosowanie krzemu amorficznego. Inne typowe materiały to: arsenek galu dwuselenek miedziowo-indowy tellurek kadmu Każdy rodzaj materiału ma inną przerwę energetyczną, co oznacza, że jest w stanie absorbować energię fal o innej długości. Jedną z metod zwiększania efektywności fotoogniw jest użycie dwu lub większej liczby warstw wykonanych z różnych typów materiału. Ogniwa takie nazywane są wielozłączowymi i mogą absorbować energie fal o różnych długościach. Materiał o szerszej przerwie energetycznej jest zwykle na powierzchni, absorbując fotony o większej energii, a materiał o węższej przerwie energetycznej jest pod spodem. Ilustracja 2-12 prezentuje fragment układu okresowego pierwiastków, związany z fotowoltaiką [12]. I II III IV V VI 5 B 6 C 7 N 8 O 13 AL 14 Si 15 P 16 S 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te Ilustracja 2-12. Fragment tablicy okresowej pierwiastków, istotny dla fotowoltaiki 38 Energia słoneczna / Odnawialne źródła energii

2.6.1 Krzem krystaliczny Materiałem najczęściej wykorzystywanym w ogniwach fotowoltaicznych jest krzem krystaliczny, pozwalający na uzyskanie średniej sprawność ogniwa ok. 15%. Ogniwa mogą być wykonywane z krzemowych bloków, taśm lub płytek. Krzem monokrystaliczny jest zwykle wytwarzany przy użyciu procesu opracowanego przez Jana Czochralskiego. Ogniwa te są drogie, gdyż wykonuje się je z czystych, cylindrycznych bloków. Blok: Bloki monokrystaliczne są półprzewodnikami wytwarzanymi przy użyciu procesu Czochralskiego lub techniką Bridgemana. Proces ten jest bardzo drogi, gdyż wymaga wielu etapów produkcyjnych realizowanych w ekstremalnie czystym środowisku. Wytworzony blok jest cięty na plastry, szlifowany i dopiero wtedy umieszczany w przyrządach półprzewodnikowych, ogniwach słonecznych i innych urządzeniach. Rozdział 2 2 Wykorzystanie ich do produkcji kwadratowych modułów ogniw słonecznych wiąże się z dużą ilością odpadów oczyszczonego krzemu. Krzem polikrystaliczny wytwarzany jest w postaci kwadratowych sztab z dużych bloków płynnego krzemu, chłodzonego do utwardzenia. 2.6.2 Tellurowo kadmowe ogniwa słoneczne Tellurek kadmu (CdTe) to kolejny materiał charakteryzujący się wysokim poziomem absorbcji światła, wykorzystywany w ogniwach słonecznych. CdTe jest łatwy do wytwarzania i nadaje się do produkcji na dużą skalę. Jest to jedyna technologia, poza krzemem amorficznym, możliwa do wykorzystania w produkcji masowej. Jednak należy być świadomym toksyczności ogniw CdTe, gdyż są one robione z kadmu trującego metalu, odkładającego się w organizmie, przy czym, w wielu badaniach wykazano, że uwalnianie się kadmu z kadmowo-tellurowych fotoogniw jest niższe niż w przypadku innych, bazujących na kadmie technologiach ogniw słonecznych [14]. 2.6.3 Ogniwa słoneczne z selenku miedziowo-indowego Ogniwa słoneczne bazujące na selenku miedziowo-indowym charakteryzują się wysokim poziomem absorbcji światła. Możemy wpływać na optyczne i elektryczne właściwości takich ogniw, co jest szczególnie istotne w przypadku nietypowych zastosowań. Wydajność niektórych powłok tego typu może przekraczać 14% [14], jednak koszt ich produkcji jest znacznie wyższy niż koszt ogniw krzemowych. 2.6.4 Wielozłączowe ogniwa słoneczne z arsenku galu Wielozłączowe ogniwa słoneczne z arsenku galu to ogniwa o wysokiej sprawności, które oryginalnie zostały zaprojektowane do zastosowań specjalnych np. satelity i eksploracja kosmosu. Komórki te składają się z wielu warstw, takich jak GaAs, Ge, GaInP 2, a warstwy te są nanoszone przy użyciu metaloorganicznej epitaksji z fazy gazowej [12, 14]. Odnawialne źródła energii / Energia słoneczna 39

Metaloorganiczna epitaksja z fazy gazowej: Chemiczna metoda próżniowego nakładania warstw, przy której reakcje chemiczne zachodzą w fazie gazowej pod średnim ciśnieniem. Ta technika wykorzystywana jest do formowania elementów z domieszkami. Używa się jej do produkcji ogniw słonecznych, diod laserowych i LED. Półprzewodniki, z których buduje się te wielozłączowe ogniwa dobierane są tak, aby absorbowały prawie całe spektrum promieni słonecznych. Dzięki temu generują maksymalną ilość energii. Wielozłączowe ogniwa słoneczne, bazujące na arsenku galu, należą do najbardziej efektywnych fotoogniw - ich wydajność wynosi 40,7% [14]. Technologia ta jest obecnie wykorzystywana w misjach badawczych Marsa. 2.6.5 Barwniki absorbujące światło (DSSC) Zastosowanie barwników absorbujących światło (DSSC) w technologii ogniw słonecznych jest obecnie na etapie badań. Przykładem jest tu rutenowy barwnik metaloorganiczny, nakładany w postaci cienkiej warstwy absorbującej światło. Ogniwa słoneczne z aktywnym barwnikiem używają pośredniej, porowatej warstwy nanocząsteczkowego dwutlenku tytanu (TiO 2 ) w celu maksymalizacji aktywnej powierzchni (200 300 m2/g TiO 2 w porównaniu do 10m2/g aktywnej powierzchni kryształu) [14]. Gdy na takie ogniwo słoneczne pada światło, elektrony przechodzą do półprzewodnika typu n (TiO 2 ), a dziury przechodzą do elektrolitu, po drugiej stronie barwnika. Tego typu ogniwa dają dużą swobodę doboru materiału i mogą być wytarzane przy użyciu tanich metod produkcji, takich jak sitodruk. Jednk barwniki w tego typu ogniwach ulegają degradacji pod wpływem temperatury i promieniowania UV, a obudowy są trudne do uszczelnienia, ze względu na rozpuszczalniki wykorzystywane do produkcji tych ogniw. 2.6.6 Organiczne/polimerowe ogniwa słoneczne Istnieje wiele organicznych i polimerowych ogniw słonecznych wyprodukowanych przy użyciu technologii cienkich warstw (~100 nanometrów), a badania nad nimi ciągle trwają. Dotyczą one zarówno polimerów, cienkich warstw, jak i innych specjalnych materiałów. Obecnie efektywność konwersji energii jest tu dużo niższa, niż w innych typach ogniw słonecznych najwyższy uzyskany poziom efektywności wynosi 6,5% [14]. Ogniwa takie znajdują jednak zastosowanie tam, gdzie istotna jest mechaniczna elastyczność i do budowy komponentów jednorazowego użytku. 2.6.7 Krzem cienkowarstwowy Cienkowarstwowe ogniwa słoneczne są najczęściej produkowane przy użyciu chemicznego osadzania z fazy gazowej z wykorzystaniem związków krzemu (silanów) oraz wodoru. Chemiczne osadzanie z fazy gazowej: Proces chemiczny służący do wytwarzania ciał stałych o wysokiej czystości i wydajności. Wykorzystywany jest on w przemyśle półprzewodnikowym do wytwarzania cienkich warstw. W zależności od parametrów osadzania proces ten może wytworzyć krzem amorficzny, polikrystaliczny lub nanokrystaliczny. Ogniwa słoneczne wytworzone w tym procesie mają mniejszą efektywność konwersji energii niż krzem monokrystaliczny, ale za to są tańsze w produkcji. Jedno z nowszych rozwiązań technologii cienkowarstwowej, które obecnie jest rozwijane, to konstrukcja półprzepuszczalnych ogniw słonecznych, które mogą być stosowane do przyciemniania okien, równocześnie generując energię elektryczną. 40 Energia słoneczna / Odnawialne źródła energii

2.7 Zastosowania energii słonecznej Ilość zastosowań energii słonecznej jest ogromna. Z wieloma z nich możemy spotkać się na co dzień. W kalkulatorach, lampach ulicznych czy w znakach drogowych. Energia słoneczna staje się także coraz powszechniejszym źródłem zasilania dla domów i biur. Użyto jej nawet do zasilania samochodów! W kilku kolejnych sekcjach przyjrzymy się bliżej zarówno wdrożeniom stacjonarnym, jak i samochodowym, a także zwrócimy uwagę na występujące w nich problemy. 2.7.1 Zasilanie domu przy użyciu energii słonecznej 2.7.2 Problemy z korzystaniem z energii słonecznej Rozdział 2 Decydując się na zasilanie domu przy użyciu energii słonecznej należ wziąć pod uwagę dużą liczbę elementów. Ilustracja 2-13 prezentuje strukturę typowego domowego systemu fotowoltaicznego. Pierwsza rzecz, jaka musi być wzięta pod uwagę (poza kosztami), to stwierdzenie, czy dach ma właściwy kąt i orientację, pozwalające na skorzystanie z zalet energii słonecznej. System powinien być nachylony pod kątem zapewniającym absorbcję maksymalnej ilości energii w przeciągu całego roku. Korzystne może być ustawianie innego kąta rano, w południe i wieczorem, a także latem oraz zimą. Przede wszystkim trzeba zapewnić, żeby panele nie były zasłaniane przez drzewa ani budynki, gdyż zasłonięcie nawet jednego ogniwa może znacząco obniżyć produkcję energii (nieproporcjonalnie dużo w stosunku do zasłoniętej powierzchni). Na dobór systemu solarnego mają wpływ wymogi co do jego wielkości oraz miesięcznej produkcji energii. Także średnie miesięczne nasłonecznienie w danym obszarze geograficznym. Powinien być on projektowany z punktu widzenia miesięcy o największym zapotrzebowaniu na energię. Należy podjąć decyzję co do napięcia dostarczanego przez system, gdyż od tego zależy jaką ilość modułów trzeba będzie połączyć szeregowo (każda komórka dostarcza napięcia 2 woltów). W przypadku pochmurnego dnia energia musi byś dostarczana z rezerwowego źródła. Może to być energia elektryczna, składowana przy użyciu ogniw paliwowych lub baterii akumulatorów. Domowa instalacja solarna może także zostać podłączona do sieci energetycznej i w razie potrzeby z niej pobierać energię, zwracając do niej energię w przypadku nadprodukcji. Baterie akumulatorów są typowo stosowane z tradycyjnymi panelami solarnymi, ale w zależności od budowy chemicznej akumulatorów ich maksymalny czas pracy może być różny i konieczna może być częsta ich wymiana. Zawierają one zwykle elektrolit kwasowy, dlatego powinny być przechowywane w dobrze wentylowanych, niemetalowych obudowach. Zamiennikiem akumulatorów, typowo stosowanym w systemach fotowoltaicznych, są wodorowe ogniwa paliwowe. Ogniwa paliwowe nie muszą być często wymieniane i mają długi termin ważności. Nie wymagają one także specjalnych obudów. Kolejną istotną cechą systemów fotowoltaicznych jest to, że generują one energię w postaci prądu stałego (DC). Natomiast sieć energetyczna dostarcza prądu przemiennego (AC) i do takiego przystosowane są wszystkie domowe odbiorniki energii. W związku z tym potrzebne jest urządzenie konwertujące prąd stały na prąd zmienny. Urządzenie takie nazywane jest inwerterem (lub inwertorem). Niektóre systemy fotowoltaiczne są fabrycznie wyposażone w inwerter. Więcej informacji na temat konwerterów prądu zmiennego i stałego znaleźć można w rozdziale 7. Są już także firmy, które produkują urządzenia zasilane prądem stałym, mogące współpracować bezpośrednio z systemami fotowoltaicznymi, bez użycia inwertera. Odnawialne źródła energii / Energia słoneczna 41

Sterownik ładowania Wentylator 12 V Telefon komórkowy Akumulator Panele słoneczne 230 V Laptop Inwerter Ilustracja 2-13. Struktura typowego domowego systemu fotowoltaicznego Telewizor 2.7.3 Samochody zasilane energią słoneczną Czy nie byłoby wspaniale, gdybyśmy mogli jeździć samochodami nie wydając pieniędzy na paliwo? Istnieją już samochody zasilane energią słoneczną, które bez problemu przejeżdżają wiele kilometrów. Niektóre samochody solarne wykorzystują energię elektryczną do bezpośredniego zasilania silnika napędowego. Pojedyncze egzemplarze tego typu były budowane przez entuzjastów już w latach siedemdziesiątych. Niektóre duże firmy produkujące samochody (Ford i Mazda) także prowadzą badania nad pojazdami zasilanymi energią słoneczną. Jeden z bardziej interesujących modeli samochodu hybrydowego został zaprezentowany na wystawie samochodów w Paryżu, w 2006 roku. Ten samochód elektryczny, przeznaczony do jazdy po mieście, wykorzystuje do zasilania energię elektryczną silnika, korzystającego z energii słonecznej, wiatrowej oraz zgromadzonej w akumulatorach. Model ten został zaprojektowany wyłącznie do jazdy po mieście, gdyż może uzyskiwać maksymalną prędkość wynoszącą 30 mil na godzinę (48 km/h) [15]. Przybliżona cena tego samochodu wynosiła w roku 2007 około 32 000 dolarów amerykańskich [15]. Ilustracje 2-14 i 2-15 prezentują auto Venturi Electric oraz zasilany energią solarną samochód na pokazie Detroit Auto Show w Stanach Zjednoczonych. Samochody słoneczne dzięki ogniwom o bardzo wysokiej jakości mogą poruszać się z szybkością 60 mil na godzinę (96 km/h) i pokonywać setki mil. Uzyskiwanie wysokich prędkości uzależnione jest także od wagi oraz aerodynamiki samochodów solarnych. Samochody te nie są narazie jeszcze zbyt eleganckie, są bardzo płaskie i mogą bardzo szybko się nagrzewać, gdyż pokryte są ogniwami słonecznymi. Gdy słońca brakuje, samochody zasilane energią słoneczną muszą wspomagać się akumulatorami lub małymi silnikami spalinowymi. 42 Energia słoneczna / Odnawialne źródła energii

Rozdział 2 Ilustracja 2-14. Samochód zasilany energią słoneczną na wystawie Detroit Auto Show Ilustracja 2-15. Auto Venturi Electric 2.8 Podsumowanie Rozdział ten pokrótce wyjaśnił znaczenie energii słonecznej jako istotnej części przyszłości gospodarowania energią odnawialną. Liczba zastosowań energii słonecznej jest ogromna. Wiele spośród tych zastosowań możemy spotkać na co dzień w kalkulatorach, lampach ulicznych i wielu znakach drogowych. Energia słoneczna jest też coraz częściej wykorzystywana jako źródło energii w domach i przedsiębiorstwach. Panele słoneczne tworzone są jako połączenie wielu komórek. Komórki te są w stanie przewodzić prąd elektryczny ponieważ wytwarza się je z półprzewodnika. Najpopularniejszym typem półprzewodnika, wykorzystywanym w fotoogniwach, jest krzem. Innymi, popularnymi materiałami, wykorzystywanymi w tych rozwiązaniach są: arsenek galu, dwuselenek miedziowo-indowy oraz tellurek kadmu. Dwoma najbardziej popularnymi dziś na rynku systemami fotowoltaicznymi są płaskie panele oraz koncentratory. Systemy płaskich paneli zbudowane są z modułów fotowoltaicznych umieszczonych na sztywnej, płaskiej powierzchni w celu pochłaniania promieniowania słonecznego, a fotowoltaiczne systemy koncentrujące wykorzystują lustra o specjalnie zaprojektowanej powierzchni lub soczewki w celu skupienia światła słonecznego na niewielkiej powierzchni ogniw. Systemy solarne, ze względu na ich wykazaną zdolność do efektywnego przetwarzania energii słonecznej w elektryczną, będą istotnym elementem przyszłych hybrydowych systemów energetycznych. Ponieważ energia słoneczna nie jest dostępna w sposób ciągły, najlepiej wykorzystywać ją w systemach składających się z elektrolizerów, ogniw paliwowych, turbin wiatrowych oraz odpowiednich elektronicznych układów sterujących. Rozdziały 3 7 opisują te kwestie bardziej szczegółowo. Odnawialne źródła energii / Energia słoneczna 43