FOTOWOLTAIKA - czyli odnawialne ródo energii I. Czysta energia Soce jest niewyczerpalnym ródem czystej energii. Z bogactwa tego mona korzysta dziki moduom fotowoltaicznym. Systemy fotowoltaiczne dziaaj" niezalenie od sieci energetycznej, gwarantuj"c stae dostawy energii nawet w przypadku awarii sieci. S" niezalene od pogody, produkuj"c energi równie w pochmurne dni. Energia soneczna jest bezpatna i efektywna. Natenie promieniowania sonecznego w naszym kraju jest róne w zaleno'ci od regionu i waha si w granicach od 1 do 1,15 kwh/m 2, co przedstawia Rys. 1. Rys. 1.rednia roczna energia promieniowania sonecznego w Polsce Kada kilowatogodzina wyprodukowana ze soca pozwala unikn" emisji 0,8-1 kg CO 2. Polska energetyka, korzystaj"c ze zó wgla, mocno zanieczyszcza atmosfer. Przy produkcji 1 MW energii w ci"gu godziny powstaje 16 kg dwutlenku siarki, 12 kg tlenku wgla i wglowodorów oraz 4 kg tlenków azotu. Przy obecnym bardzo wysokim poziomie zuycia energii jej konwencjonalne róda takie jak ropa naftowa, wgiel czy gaz zostan" wyczerpane w ci"gu nastpnych 40 lat. II. Historia ogniwa fotowoltaicznego A. C. Becquerel w 1839 r., zaobserwowa po raz pierwszy efekt fotowoltaiczny w obwodzie dwóch elektrod o'wietlonych (chlorkowo srebrowych) zanurzonych w elektrolicie. W. Adams i R. Day w 1876 r., zaobserwowali to zjawisko na granicy dwóch cia staych (selen platyna). Pierwsze ogniwa selenowe miay sprawno' 0,5%.
Zdecydowanie najwikszy wpyw na rozwój ogniw sonecznych miaa metoda produkcji krysztaów krzemu o wysokiej czysto'ci opracowana przez Czochralskiego (na przeomie lat 1940 i 1950). Urz"dzenia pokadowe satelity Vanguard (1958) zasilane byy przez krzemowe ogniwa soneczne o sprawno'ci 11% - pierwsze zastosowanie takich ogniw. Obserwacja efektu fotowoltaicznego przez D. C. Reynolds a, w z"czu stopu metalu (Cu monokryszta CdS), doprowadzia do otrzymania w latach sze'dziesi"tych pierwszych cienkowarstwowych ogniw sonecznych (Cu 2 S-CdS). D. M. Chapin, S. C. Fellerand i G. L. Person dokonali kolejnego postpu, buduj"c z uyciem monokrysztau krzemu, ogniwo o sprawno'ci ok. 6%. Praktyczne stosowanie ogniw sonecznych byo moliwe dopiero od pocz"tku lat 70, gdy opracowano stosunkowo tani technologie wytwarzania krysztaów krzemu i póprzewodników. III. Zasada dziaania ogniwa Zasada dziaania ogniwa fotowoltaicznego, opiera si na absorpcji promieniowania 'wietlnego docieraj"cego do póprzewodnika. Ilo'ciowo absorpcja okre'lona jest tzw. wspóczynnikiem absorpcji () [oznacza odwrotno' grubo'ci póprzewodnika, w której moc prom. Zmniejsza si e - krotnie]. Efektem absorpcji promieniowania 'wietlnego jest generacja pary dziura elektron. Istniej"ce w z"czu p - n wbudowane pole elektryczne rozdziela powstae pary dziura elektron kieruj"c elektrony do obszaru typu n, a dziury do obszaru typu p. IV. Budowa ogniwa i mechanizm fotowoltaiczny Komórk fotowoltaiczn" stanowi pytka z krzemu. Powierzchnia jej zawiera róne domieszki tworz"c strefy N i P. Na granicy tych dwóch stref powstaje pole elektryczne. Foton padaj"c na pytk krzemow" moe uwolni elektron; tworz"c jednocze'nie par elektron - dziura. Elektron uzyskawszy odpowiedni" energi moe przemie'ci si w kierunku "cza NP, w którym pole elektryczne powoduje skierowanie go do strefy N. Pomidzy bokami pytki N i P powstaje napicie. W ten sposób pod dziaaniem 'wiata, pytka ta staje si generatorem pr"du elektrycznego. Gdy brak jest o'wietlenia, pytka stanowi element pasywny. Siatki metalowe na 'ciankach pytki peni" rol elektrod zbieraj"cych pr"d. Ogniwo skada si z grubego obszaru typu p, zwanego baz" cienkiej warstwy n, zwanej emiterem, jednowarstwowej lub wielowarstwowej powoki przeciwodbiciowej (zarazem pasywuj"cej) oraz kontaktów metalowych na górnej i dolnej powierzchni. Dolny kontakt pokrywa zazwyczaj ca" powierzchni. Kontakt górny wykonywany jest w formie siatki 2
zakrywaj"cej kilka procent caej powierzchni. Takie rozwi"zanie technologiczne jest kompromisem pomidzy rezystancj" szeregow" i efektywn" powierzchni" ogniwa umoliwiaj"c" przenikanie promieniowania do wntrza póprzewodnika. Budow ogniwa przedstawia Rys. 2. Rys. 2 Budowa ogniwa fotowoltaicznego Energia promieniowania elektromagnetycznego gównie w zakresie 'wiata widzialnego powoduje wybijanie w póprzewodnikach elektronów z pasma walencyjnego na poziom przewodnictwa. W miejscu wybitego wi"zania sieci krystalicznej elektronu (-) powstaje dziura (+). Dziura jest rekombinowana elektronem z s"siaduj"cego wza sieci krystalicznej w którym powstaje nowa dziura. W przewodniku typu P jest przewaga dziur, natomiast w typu N jest przewaga elektronów. Do struktury krystalicznej materiau bazowego np. krzemu, wprowadza si atomy o charakterze donorów (np. fosfor typ N) lub akceptorów (np. bor typ P). Na styku tych dwóch póprzewodników tworzy si bariera zaporowa, w wyniku pierwotnej rokombinacji ujemna w obszarze typu P i dodatnia w obszarze typu N. Bez 'wiata dziury wdruj" na lewo i pynie niewielki wsteczny pr"d dyfuzyjny I d. Rys. 3 Mechanizm fotowoltaiczny: a) mechanizm powstania dziury, 3
b) wsteczny pr"d szcz"tkowy dyfuzyjny (bez 'wiata), c) przepyw pr"du (o'wietlenie). Fotony padaj"ce na z"cze PN o energii wikszej ni szeroko' przerwy energetycznej póprzewodnika, powoduje powstanie w tym miejscu pary elektron dziura ((-) i (+)). Pole elektryczne wokó póprzewodnika przesuwa no'niki rónych znaków w przeciwne strony: dziury do obszaru P, a elektrony do obszaru N, co powoduje powstanie zewntrznego napicia elektrycznego na z"czu efekt fotowoltaiczny. Rozdzielone adunki s" no'nikami nadmiarowymi o nieskoczonym czasie ycia, napicie na z"czu PN jest stae i z"cze dziaa jak ogniwo elektryczne. Mechanizm tego zjawiska w wyniku którego pynie pr"d w fotoogniwie przedstawia Rys. 3c. Energi fotonu przedstawia wzór: hv E hv == ( IV.1) dla promieniowania sonecznego upraszcza si do postaci: 1,24 E = ( IV.2) -dugo' fali wyraona w mikrometrach Nie wszystkie fotony maj" odpowiedni" energi do wybijania w póprzewodnikach elektronów, których praca wyj'cia z pasma walencyjnego na poziom przewodnictwa katody wynosi 2 ev. Z podstawienia tej warto'ci do równania (IV.2) wynika, e dokona tego moe promieniowanie o dugo'ci fali mniejszej ni 0,64 µm. Warunek ten spenia tylko 30% promieniowania sonecznego docieraj"cego do powierzchni Ziemi. Sprawno' konwersji energii sonecznej na energi elektryczn" wyraa zaleno': IU = 100% EA I,U odpowiednio natenie pr"du i napicie elementu fotoelektrycznego, A powierzchnia fotoogniwa. Sprawno' fotoogniwa mona równie wyrazi wzorem: I ku oc FF = 100% EA I k pr"d zwarcia, U oc napicie otwartego obwodu, FF wspóczynnik wypenienia charakterystyki. ( IV.3) ( IV.4) 4
Wspóczynnik FF charakteryzuj"cy fotoogniwa jest stosunkiem pola prostok"ta wyznaczonego przez I k i U oc dla pola pod charakterystyk" (Rys. 10). Stosuje si teksturyzacj przedniej b"d obu powierzchni, (dziki czemu pow. nie jest paska-jest uksztatowana piramidalnie). Cz' promieniowania odbijanego moe zosta ponownie pochonita, a w efekcie droga 'wiata w póprzewodniku ulega wydueniu-daje to lepsze warunki absorpcji w zakresie podczerwieni. Sytuacj przedstawia Rys. 4. Rys. 4 Teksturyzacja przedniej powierzchni ogniwa - promie odbity od powierzchni dociera ponownie do paszczyzny póprzewodnika Przy o'wietleniu ogniwa, koncentracja no'ników wzrasta (przyrost no'ników mniejszo'ciowych jest znacznie wikszy ni no'ników wikszo'ciowych). Rys. 5 Charakterystyka pr"dowo - napiciowa ogniwa przy o'wietleniu Gdy ogniwo jest o'wietlone, wówczas dziaa jak generator pr"du. W zwi"zku, czym schemat elektryczny przedstawia symbol róda pr"dowego pod"czony równolegle do diody. W zaleno'ci od przedstawienia ogniwa (ródo lub obci"enie) otrzymujemy odbicie lub przesunicie krzywej równolegle do osi pr"du. 5
Rys. 6 Równowany schemat ogniwa sonecznego odpowiadaj"cy modelowi jednodiodowemu Rys. 7 Charakterystyka pr"dowo - napiciowa, przy braku o'wietlenia Napicie progowe o warto'ci 0.5V po przekroczeniu, którego gwatownie zaczyna rosn" pr"d przy polaryzacji w kierunku przewodzenia, oraz napicie przebicia o warto'ci ok.20v dla polaryzacji w kierunku zaporowym. Rys. 8 Wpyw natenia 'wiata na napicie ogniwa V oc napicie ogniwa otwartego (open circuit voltage), I sc pr"d zwarciowy (short circuit current). 6
Rys. 9 Moc generowana przez ogniwo soneczne w zaleno'ci od punktu pracy Dziaanie ogniwa mona wyja'ni jako trzystopniowy proces: Absorpcja absorberem jest materia póprzewodnikowy. Rozdzielenie (separacja) adunków elektrony i dziury w póprzewodnikach rozdzielane s" w efekcie procesów tzw. dyfuzji oraz dryftu no'ników adunku elektrycznego w obszarze adunku przestrzennego z"cza n p. S" te inne mechanizmy rozdzielania no'ników, np. proces tunelowania elektronów przez bardzo cienk" warstw izolatora. Przepyw adunków rozdzielenie adunków prowadzi do powstania napicia pomidzy dwoma obszarami ogniwa. Aby te adunki mona byo odprowadzi potrzebne s" kontakty (powinny charakteryzowa si nisk" warto'ci" rezystancji kontaktu). Podstawowe parametry komórki fotowoltaicznej okre'la jej charakterystyka pr"dowonapiciowa I=f(U) w danych warunkach o'wietlenia i temperatury. Maksymaln" moc: P = I U ( IV.5) max max wydzielon" na rezystancji obci"enia jako pole zaciemnionego prostok"ta przy danym nateniu promieniowania pokazano na Rys. 10. max Rys. 10 Charakterystyka pr"dowo napiciowa o'wietlonego ogniwa a-si 7
Rys. 11 Charakterystyki komórki fotowoltaicznej przy rónym nateniu napromieniowania Na charakterystyce (Rys. 11) wyróniono trzy punkty: punkt optymalnego dziaania, który odpowiada mocy maksymalnej (P max ) dostarczanej przez komórk, pkt. ten okre'laj" warto'ci napicia i pr"du, odpowiednio (U p i I p ), punkt w którym napicie jest równe zeru i warto' pr"du jest maks. (pr"d zwarcia-i z ), punkt który odpowiada zerowej warto'ci pr"du i maksymalnej warto'ci napicia (napicie przy otwartym obwodzie U o ). Warto' pr"du dostarczanego z komórki jest praktycznie proporcjonalna do ilo'ci fotonów otrzymanych przez komórk, natomiast napicie jest stosunkowo stae. Warto' mocy wytwarzanej jest proporcjonalna do natenia napromieniowania. Rys. 11 wskazuje na to, e komórka fotowoltaiczna jest w stanie przetwarza energi soneczn" nawet przy maych warto'ciach o'wietlenia ( rano, wieczór, zachmurzenie). Ze wzrostem temperatury pr"d zwarcia ro'nie, a napicie obwodu otwartego maleje, przedst. Rys. 12. Rys. 12 Wpyw temperatury na przebieg charakterystyk komórki fotowoltaicznej 8
Rys. 13 Wpyw nasonecznienia na charakterystyk I(U) ogniwa a-si Wzrost pr"du zwarcia jest zwi"zany ze zmniejszeniem szeroko'ci pasma zabronionego materiau póprzewodnikowego, zmniejszenie napicia obwodu otwartego wynika ze wzrostem pr"du I d. Wskutek tego nastpuje niewielkie zmniejszenie mocy maksymalnej. Ze wzrostem temperatury charakterystyki pr"dowo napiciowe ulegaj" zmianie, gdy pr"d zwarciowy wzrasta (rzdu 1% na 1TC) napicie obwodu otwartego maleje (rzdu 2mV na 1TC). Moc maksymalna jest mniejsza (rzdu 0,4% na 1TC). Pomiar temp. komórek mona zrealizowa za pomoc" sond rezystancyjnych z platyny, przyklejonych na powierzchni frontalnej i tylnej moduów fotowoltaicznych. W celu ograniczenia wpywu promieniowania sondy zazwyczaj pokrywane s" ywic" epoksydow". Rys. 14 Wpyw temperatury na sprawno' rónych ogniw I. Poprawienie sprawno'ci ogniwa jest moliwe gównie przez: zwikszenie wspóczynnika wypenienia charakterystyki (FF) przez bardziej zaawansowan" technologi, zmniejszenie odbi przez zastosowanie powok antyrefleksyjnych, zmian materiau z którego jest wykonane ogniwo, np. w stosunku do krzemu amorficznego sprawno' ogniwa polikrystalicznego zwiksza si 1,4 razy, 9
monokrystalicznego 1,8 razy, ogniwa z arsenku galu (GaAs) 2,2 razy, ogniwa GaAs/GaAsAl monokrystalicznego i heteroz"czowego 2,3 razy i ogniwa AlGaAs/Si monolitycznego dwuz"czowego sprawno' wzrasta 2,85 razy, zmniejszenie temperatury powierzchni adsorpcyjnej (wpyw temperatury na sprawno' ogniwa przedstawiono na Rys. 14. Zastosowanie koncentratorów promieniowania sonecznego. Wspóczesne ogniwa soneczne skadaj" si z nastpuj"cych warstw: metalicznego podoa (folia Al), póprzewodnika typu N, póprzewodnika typu P, metalowych elektrod zbiorczych, drugiej warstwy krzemu i warstwy przeciwodblaskowej. Powierzchnie s" grawerowane laserowo w celu zapewnienia odpowiedniej ich faktury. Poszczególne warstwy s" napylone dyfuzyjnie i trawione na przemian. Na Rys. 15 przedstawiono rozwój konstrukcyjny ogniw sonecznych. Rys. 15 Rozwój ogniw fotowoltaicznych V. Nowe australijskie ogniwa soneczne 10
Gówny problem w rozpowszechnieniu baterii sonecznych to ich cena, jednak pod tym wzgldem moe okaza si przeomem wynalazek australijskich naukowców dr. K. Webera i prof. A. Blakersa z Australijskiego Uniwersytetu Narodowego. Technologia o nazwie silver polega na odpowiednim wykonaniu ogniw sonecznych w postaci pasków o szeroko'ci 1,5 mm, dugo'ci 10cm i 0,05mm grubo'ci (powierzchnia 1,5 cm 2 ) ze standardowych pytek krzemowych. Rys. 16 Widok ogniwa Silver w przekroju Rys. 17 Paski krzemowe uywane do produkcji ogniwa Silver Rys. 18 Paski krzemowe uywane do produkcji ogniwa Silver Paski te póniej ukada si na szklanym podou, które po po"czeniu tworz" modu baterii sonecznej. W duym uproszczeniu mona powiedzie, e ogniwa soneczne te róni" si od konwencjonalnych procesem wycinania z pytek krzemowych odpowiednich elementów. 11
Rys. 19 Pasek krzemowy uywany do produkcji ogniwa Silver, widok z bliska Rys. 20 Przej'cie 'wiata przez ogniwo Silver Z pytki o 'rednicy 15cm mona wykona a 100 ogniw silver o "cznej powierzchni 1500 cm 2, gdy tymczasem w dotychczasowej technologii 140 cm 2. Dziki temu uzyskuje si znacznie wiksz" powierzchni z tej samej ilo'ci materiau, a wic znaczne zmniejszenie potrzebnej ilo'ci pytek krzemowych do wyprodukowania ogniwa sonecznego, a co za tym idzie take jego ceny. Dalsze due oszczdno'ci materiau mona osi"gn" pozostawiaj"c odstpy midzy poszczególnymi ogniwami w module..wiato przechodz"c przez te szczeliny ulega odbiciu od zwierciada umieszczonego z tyu moduu i w drodze powrotnej pada na ogniwo "sliver". Nowa technologia na wykonanie moduu o tej samej mocy zuywa 7-10 razy mniej krzemu. Co wicej produkowane w ten sposób baterie maj" wysz" sprawno' która wynosi ok. 22%, a mona bdzie osi"gn" nawet wiksz" dziki wysokiej jako'ci stosowanych monokrysztaów krzemu i wyrafinowanej obróbce. Wszystko to powoduje, e koszt zakupu baterii zwraca si ju po 1,5 roku, a nie jak w dotychczas produkowanych po 4 latach. Moliwo' dwustronnego o'wietlania ogniw "sliver" stwarza moliwo' zbierania promieniowania sonecznego od wschodu do zachodu w sposób bardziej efektywny, co wpynie na wiksz" roczn" produkcj energii od dotychczasowej konfiguracji. Obecnie ju ruszya produkcja tego typu ogniw sonecznych w kwietniu 2005 r. wyprodukowano moduy o mocach 40W, w 2006 maj" by ju produkowane o mocy 100W. 12
Rys. 21 Pasek krzemowy Rys. 22 Modu soneczny Silver Wicej informacji o tym wynalazku jak i aktualno'ci z jego wdraania mona znale na stronie: http://www.originenergy.com.au/environment/environment_subnav.php?pageid=1233 oraz na stronach Australijskiego Uniwersytetu Narodowego: http://solar.anu.edu.au VI. Promieniowanie soneczne Promieniowanie soneczne ma szerokie spektrum, dugo'ci fali od 0,000 do 0,01 mm i niesie w sobie zrónicowan" ilo' energii. Tylko cz' tego promieniowania 0,35-0,75 µm to zakres 'wiata widzialnego. Zrónicowane s" nie tylko dugo'ci fali promieniowania sonecznego od ok. 0,2 do 2,5 µm, lecz take gsto' energii, przedstawia Rys. 23. Okoo poowa energii promieniowania 46%, przypada na promieniowanie widzialne, reszta to nadfiolet 7% i podczerwie 47%. Oprócz promieniowania o charakterze elektromagnetycznym do powierzchni Ziemi okresowo dociera ze Soca równie promieniowanie korpuskularne, skadaj"ce si w wikszo'ci z protonów (wiatr soneczny o prdko'ci ok. 10 7 km/s). 13
Rys. 23 Spektrum 'wiata sonecznego Energia soneczna docieraj"ca do granicy atmosfery stanowi jedn" pómiliardow" cz' energii emitowanej przez Soce, a jej strumie ma moc ok. 1,39 kw/m 2 jest to tzw. staa soneczna. Na Rys. 24, przedstawiono skadniki promieniowania sonecznego, w zaleno'ci od pory dnia i roku do powierzchni Ziemi dociera 'rednio mniej ni 50% energii, dzieje si tak na wskutek odbicia (ok. 35%), absorpcji i rozproszenia. Natenie promieniowania sonecznego na powierzchni Ziemi zaley od wysoko'ci Soca nad horyzontem, wi"e si z grubo'ci" warstwy atmosfery, przez któr" to promieniowanie jest absorbowane. Dla wysoko'ci równej 90, 30, 20 i 12 natenie to wynosi odpowiednio I=900, 750, 600 i 400 W/m 2. Rys. 24 Skadniki promieniowania sonecznego Na Rys. 25 zobrazowano zmian natenia promieniowania dla szeroko'ci geograficznej 52, w dzie bezchmurny w zaleno'ci od pory dnia i roku. Na osi rzdnych podano maksymalne warto'ci energii, a pole pod krzyw" obrazuje cakowit" ilo' energii docieraj"c" w ci"gu dnia. Jako norm dla Polski przyjmuje si warto' napromieniowania cakowitego w ci"gu roku 3600 MJ/m 2 ± 10% (1000kWh/m 2 ). 14
Rys. 25 Zmienno' natenia promieniowania sonecznego VII. Literatura 1. Witold M. Lewandowski, Proekologiczne róda energii odnawialnej, WNT, Warszawa 2002. 2. Smoliski Sawomir, Fotowoltaiczne róda energii i ich zastosowania, Wyd. SGGW, Warszawa 1998. 3. Zbysaw Pluta, Soneczne instalacje energetyczne, PW, W-wa 2003. 4. Strona internetowa Centrum Fotowoltaiki Politechniki Warszawskiej, www.pv.pl 15