Topsil chciał, aby polski oddział produkował płytki krzemowe dla branży motoryzacy­jnej, stąd m.in. zatrudnien­ie doświadczo­nego prezesa z tej właśnie branży. Oprócz zmiany mentalnośc­i konieczne było uzyskanie międzynaro­dowych certyfikat­ów jakości (ISO/ TS 16 949) i innych. Anhui Daheng Energy Technology Co.,Ltd. specjalizuje się w opracowywaniu,produkcji i sprzedaży wszelkiego rodzaju systemów energii słonecznej,ogniw słonecznych,paneli słonecznych My mają więcej niż 30 osób w zespołach technicznych zajmujących się energią słoneczną z ponad 10 lat doświadczenia jest gotowych do zaprojektowania energii słonecznej w dowolnym czasie. Krzem organiczny 2500 si-g5, oryginalny krzem siworld, naturalny sumplement, pierwiastek życia, koncentrat, krzem dla sportowców, krzem dla zdrowia DIY generator słoneczny: instrukcje tworzenia alternatywnego źródła energii. Alternatywne źródła energii, które umożliwiają dostarczenie do mieszkania ciepła i energii elektrycznej w wymaganej ilości, to kosztowna „przyjemność”, wymagająca znacznych nakładów finansowych na zakup, instalację i instalację. Krzem monokrystaliczny (mono-Si lub c-Si) to krzem, który składa się z ciągłego stałego monokryształu. Krzem uprawiany do zastosowań fotowoltaicznych (PV) jest hodowany w formie cylindrycznej o typowej średnicy 8 cali (~ 200 mm). Powierzchnia cylindra jest następnie przycinana, aby uzyskać kształt pseudokwadratowy. lirik maula ya sholli wasallim daiman abada arab. Poniedziałek, 04 kwietnia 2022 | Technika Decydując się na montaż systemu fotowoltaicznego, stajemy przed koniecznością wyboru nie tylko wykonawcy, ale też technologii, w jakiej wykonane ogniwa zastosujemy. I o ile czasem wybór instalatora mocno ogranicza typ ogniw, z jakimi pracuje, warto z wyprzedzeniem wiedzieć, jakie są pomiędzy nimi różnice, by dobrać taką technologię, jaka nam najbardziej odpowiada. Niewątpliwie wiedza ta uchroni nas też przed błędami albo przed wykonawcami, którzy będą nieco mijać się z prawdą, nadmiernie zachwalając swoje moduły. Zasadniczo, mówiąc o panelach fotowoltaicznych, instalowanych czy to na wielkopowierzchniowych farmach, czy też na dachach w ramach mikroinstalacji, mamy na myśli przede wszystkim ogniwa tzw. pierwszej generacji, a więc panele krzemowe. Wskazanie, że jest to pierwsza generacja, automatycznie nasuwa pytanie o generacje kolejne – i całkiem słusznie. Można już mówić o technologiach drugiej i trzeciej generacji, ale w praktyce, decydując się na wszelkiego rodzaju standardowe rozwiązania, będziemy zawsze sięgać po pierwszą generację. Nie oznacza to bynajmniej, że panele tego typu są gorsze. Wręcz przeciwnie, mają one wysoką wydajność, wynikającą z technologii rozwijanych od wielu lat. To właśnie wśród nich znajdziemy modele o najwyższych parametrach. Wbrew pozorom ogniwa nowszych generacji zazwyczaj wcale nie są bardziej skuteczne, ale za to mają inne zalety – są cieńsze, przez to nierzadko tańsze w produkcji oraz można je instalować w zupełnie inny sposób, np. poprzez integrację z elewacją budynku lub dachem. Niestety, przy okazji zazwyczaj bywają mniej trwałe. Druga generacja to przede wszystkim ogniwa z krzemu amorficznego, a także ogniwa z arsenku galu, tellurku kadmu, mieszaniny miedzi, indu, galu i selenu, ogniwa wielozłączowe i inne konstrukcje cienkowarstwowe. Do ogniw nowej generacji (trzeciej lub czwartej, zależnie jak liczyć) zaliczają się opracowane i produkowane w Polsce ogniwa perowskitowe, które drukowane są na folii PET. Stanową cienkie, elastyczne, całkiem wydajne i lekkie rozwiązanie, które można instalować praktycznie gdziekolwiek, nawet np. w roli żaluzji słonecznych. Aktualnie są jednak instalowane głównie w ramach projektów pilotażowych. Rodzaje ogniw pierwszej generacji Wśród ogniw pierwszej generacji należy przede wszystkim dokonać podziału na dwie podgrupy. Pierwsza z nich obejmuje ogniwa z krzemu monokrystalicznego – a więc droższe i bardziej wydajne. Druga grupa to ogniwa polikrystaliczne – mniej wydajne, ale też istotnie tańsze. Powód, dla którego ogniwa monokrystaliczne są droższe, jest bardzo prozaiczny – wymagają zastosowania dużych, jednolitych kryształów, pociętych do rozmiarów ogniwa. Budowa takich kryształów krzemu jest kosztowna, wymaga bardzo zaawansowanych metod i niezwykle precyzyjnego utrzymywania parametrów pracy maszyn produkcyjnych. Równomierna struktura krzemowych płytek podłożowych (nazwanych potocznie waflami) zapewnia idealne warunki do tworzenia struktur półprzewodnikowych i wychwytywania fotonów. To właśnie takie ogniwa latają w kosmos na satelitach i wszystkich innych urządzeniach wymagających zasilania energią słoneczną. W warunkach laboratoryjnych skuteczność tych ogniw potrafi przekraczać 40% (w wariantach wielozłączowych, czasem zaliczanych do nowszych generacji), co jest niezwykle dobrym wynikiem. W praktycznej pracy uzyskują istotnie ponad 20%. Ogniwa krzemowe polikrystaliczne są tańsze, gdyż produkcja płytek podłożowych do nich jest znacznie prostsza. Wystarczy, by krzem uległ krystalizacji i był odpowiednio czysty (zazwyczaj na poziomie 99,9999%), ale nie ma potrzeby dbać, by całość stanowiła jeden wielki kryształ. Niestety, nieidealna struktura prowadzi do zmniejszenia efektywności wychwytywania fotonów i zamieniania ich na energię elektryczną. Jeden od drugiego rodzaju ogniwa jest bardzo łatwo odróżnić. Modele monokrystaliczne mają jednolitą barwę, najczęściej niemal czarną. Ogniwa polikrystaliczne są najczęściej bardziej niebieskie i z bliska widać ich specyficzną strukturę – wyglądają, jakby były złożone z licznych, losowo ułożonych wielokątów różnych rozmiarów. Fot. 1. Charakterystyczny niebieski kolor i ślady nieregularnej struktury krystalicznej to cechy rozpoznawcze ogniw polikrystalicznych Budowa ogniwa Typowe (jednozłączowe) krzemowe ogniwo fotowoltaiczne składa się z kilku warstw. Główną część w przekroju stanowi płytka podłożowa – krzem, niezależnie czy monokrystaliczny, czy polikrystaliczny, odpowiednio domieszkowany. Od spodu jest pokryty warstwą elektrody, a więc metalem (np. srebrem, aluminium lub stopem srebra z aluminium), od góry pokrywa go kilka warstw. Bezpośrednio na głównej warstwie znajduje się również krzem, ale domieszkowany w inny sposób, dzięki czemu pomiędzy tymi warstwami powstaje tzw. złącze półprzewodnikowe p-n. Jest ono kluczowe dla uzyskiwania przepływu prądu, a więc by ogniwo pracowało jako urządzenie elektryczne. Zaraz nad wierzchnią warstwą krzemu układa się bardzo cienką warstwę antyrefleksyjną, a następnie przednią elektrodę. Elektroda przednia, czasem zamiast z aluminium czy srebra, jest układana z przezroczystego tlenku indu-cyny, dzięki czemu przepuszcza więcej promieni słonecznych. Typowym układem jest rozmieszczenie na jednym ogniwie dwóch lub trzech równoległych, głównych elektrod (tzw. bussbary), od których prostopadle odchodzą cieńsze elektrody, tzw. palce. Natomiast warstwa antyrefleksyjna zwiększa ilość promieniowania słonecznego, docierającego do wnętrza ogniwa (zapobiega ich odbiciu przez ogniwo). Fot. 2. Budowa ogniwa fotowoltaicznego Budowa panelu Tak zbudowane ogniwa są następnie łączone w panele. Trzeba przy tym zaznaczyć, że samo ogniwo już mogłoby produkować prąd, tylko z braku zamknięcia obwodu nie ma gdzie on płynąć. Panel składa się po prostu z szeregu ułożonych obok siebie ogniw, których elektrody są ze sobą zlutowane. Na krańcach panelu dolutowuje się już grubsze wyprowadzenia, które pozwalają odprowadzać prąd do zasilanych urządzeń. Choć z elektrycznego punktu widzenia to już kompletny system, tak zbudowany panel nie nadawałby się do montażu ze względu na zbytnią kruchość ogniw. Są one niezwykle cienkie i natychmiast popękałyby przy próbie przykręcenia. Dlatego całość pokrywa się szkłem hartowanym, które nadaje panelowi grubość, a jednocześnie zabezpiecza elektronikę przed uszkodzeniami. Samo szkło jednak nie wystarczy – potrzebna jest jeszcze warstwa uszczelniająca, która chroni półprzewodniki i warstwę metaliczną przed warunkami atmosferycznymi – głównie przed wilgocią i dostępem tlenu. Folię tę, najczęściej wykonaną z poli(etylenu- co-octanu winylu), nazywaną folią EVA (Etylene-Vinyl Acetate), stosuje się i od góry i od dołu ogniwa, dzięki czemu uszczelnia się też spód. Natomiast na szkło można jeszcze nałożyć kolejne warstwy antyrefleksyjne, sprawiające, że będzie przez nie przechodzić więcej światła. Kompromisy, czyli warianty technologii Realna moc uzyskiwana z paneli fotowoltaicznych wynika z szeregu czynników konstrukcyjnych i warunków zewnętrznych. Aby przygotować panel do pracy z jak najlepszymi parametrami, konstruktorzy podejmują liczne decyzje, które w praktyce są kompromisami, w efekcie czego prawie zawsze poprawienie jednego parametru uzyskujemy kosztem innej cechy. Jednym z przykładów takiego kompromisu jest liczba tzw. bussbarów, czyli głównych elektrod, zbierających ładunki z ogniw. Im elektrody szersze i im szersze biegnące od nich palce, tym mniejsza rezystancja ogniwa. Podobnie, im tych bussbarów jest więcej, tym krótsze są palce, przez co ich opór elektryczny jest mniejszy. Warto przy tym zaznaczyć, że cienkie palce czasem ulegają uszkodzeniu, przez co przestają zbierać ładunek z danego obszaru ogniwa, wyłączając tym samym ten fragment z pracy. Im więc połączeń jest więcej, są szersze, krótsze i gęściej ułożone, tym większa odporność na uszkodzenia, a więc i lepsza trwałość panelu. Niestety, elektrody przysłaniają światło, negatywnie wpływając na ilość fotonów, docierających do wnętrza ogniwa i podlegających zjawisku fotoelektrycznemu. Dlatego konstruktorzy muszą arbitralnie wybierać, jaki rozkład elektrod będzie lepszy. Obecnie uważa się, że wariant z trzema bussbarami daje lepsze rezultaty niż z dwoma. Jeszcze lepiej w praktyce radzą sobie panele SmartWire (znane też jako SWCT – Smart Wire Connection Technology), w których zamiast klasycznego lutowania pomiędzy sobą bussbarów, elektrody są nałożone na folię pasywującą w postaci bardzo dużej liczby cienkich włókien. Dodatkową korzyścią z takiego podejścia jest możliwość zmniejszenia temperatury produkcji samego ogniwa do ok. 150°C, podczas gdy lutowanie wymaga punktowego przykładania temperatur rzędu 250°C. Bardzo duża liczba połączeń w takiej siatce również poprawia odporność panelu na mikropęknięcia. Alternatywą jest zmiana struktury półprzewodnikowej ogniw tak, by kontakty, zarówno dodatnie, jak i ujemne, znajdowały się po tylnej stronie (ogniwa IBC – Interdigitated Back Contact). Wtedy należy tylko odpowiednio ułożyć elektrody na spodzie, a wierzchnia warstwa panelu pozostaje jednolita i niczym nieprzysłonięta. Niestety, wadą tego rozwiązania jest szybsza degradacja panelu, związana z występowaniem wysokich napięć pomiędzy ramą a półprzewodnikiem. Spada w ten sposób też moc panelu i konieczne jest odpowiednie uziemienie bieguna dodatniego oraz adekwatny falownik. Fot. 3. Sposób łączenia ogniw w panelach wpływa zarówno na ich parametry użytkowe, jak i sam wygląd. Zeneris Projekty Ogniwa połowiczne (połówkowe) Jedną z zasad, którą przyjął przemysł fotowoltaiczny, jest jednolity rozmiar ogniw. Standardowo jest to 156 × 156 mm, przy czym często modele monokrystaliczne mają ścięte rogi, a są też ogniwa o zupełnie niekwadratowych kształtach. Zdarza się jednak, że dane ogniwo ulega uszkodzeniu i przestaje działać. Ponieważ ogniwo, które częściowo zbiera ładunki, ale nie może ich poprawnie odprowadzić, jest w stanie się bardzo nagrzewać albo wprowadzać opór w szereg przenoszących prąd elektrod, stosuje się w budowie paneli diody, które w takiej sytuacji sprawiają, że dane ogniwo się w praktyce wyłącza w bezpieczny sposób. Niestety, to sprawia, że nawet małe uszkodzenie czy np. przysłonięcie wpływa na większy obszar, niż musi. Gdyby ogniwa były mniejsze, każda usterka tego typu byłaby mniejszym problemem – dlatego część producentów stosuje ogniwa half-cut, których jeden z wymiarów jest o połowę mniejszy niż drugi. Ogniwa te łączy się ze sobą normalnie, ale cały panel dzieli się na dwie sekcje, górną i dolną. W efekcie częściowe zacienienie modułu znacząco mniej wpływa na działanie całego panelu. Drobne różnice w konstrukcjach Istnieją jeszcze inne odmiany ogniw, które różnią się między sobą szczegółami konstrukcyjnymi, przede wszystkim w ułożeniu warstw lub sposobie ukształtowania i pokrycia warstw frontowych. Przykładowo, ogniwa PERC (Passivated Emmiter Rear Cell) mają pasywowaną tylną ściankę, tj. tylna strona jest dodatkowo pokrywa warstwą refleksyjną, która powoduje odbicia części promieniowania i przekierowanie ich z powrotem do półprzewodnika. Innym wariantem są ogniwa z elektrodami typu PERL (Passivated Emmiter Rear Locally diffused cel). Są zbliżone budową do ogniw z elektrodami z tyłu, ale mają część kontaktów na froncie przy innym rozłożeniu warstw o różnym domieszkowaniu. Warto też wspomnieć o technologii HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer), a więc takiej, w której warstwa krzemu jest umieszczona pomiędzy dwoma cienkimi warstwami krzemu amorficznego. Poprawia to działanie złącza półprzewodnikowego, a ładunki odbierane są za pomocą przezroczystych tlenków przewodzących. Takie ogniwo jest symetryczne i można je wykorzystać do budowy paneli prawdziwie dwustronnych. Tego typu konstrukcje cieszą się ostatnio coraz większą popularnością, szczególnie w obszarach, gdzie wartość gruntu jest wysoka. Fot. 4. Gdy panele opierają się na osobnej konstrukcji nośnej, a jasne podłoże dobrze odbija światło, założenie panelii dwustronnych może być uzasadnione. Instalacja ogniw dwustronnych Stosując ogniwa dwustronne, warto pamiętać o odpowiednim przygotowaniu podłoża. Słońce padające na ogniwa pod pewnym kątem, zmieniającym się w ciągu doby, będzie niemal zawsze po części trafiało również na obszar pod ogniwami (o ile nie są zamontowane całkowicie płasko). Światło to odbija się tym silniej, im powierzchnia pod ogniwem jest jaśniejsza. Przy pomalowaniu na biało ilość odbitego światła, które pada na ogniwo od spodu, jest na tyle duża, że szkoda ją tracić. Użycie dwustronnego panelu pozwala korzystać z odbitego światła i sprawia, że ogniwa pracują także, gdy światło pada z mało korzystnego kierunku, a więc np. rano lub wieczorem. Podsumowanie Dobrze jest, gdy użytkownik świadomie wybiera instalowane ogniwa. Wiele wartościowych informacji można uzyskać na stronach producentów, którzy podają różne szczegóły na temat wykorzystywanych technologii. Niestety, szczególnie w przypadku wytwórców działających w Chinach, a to właśnie oni dominują na rynku, nierzadko aspekty technologiczne, jeśli w ogóle są podane, to prezentowane są po chińsku i to w sposób mało usystematyzowany. Dlatego warto popytać polskiego dostawcę czy dystrybutora o szczegóły konstrukcji poszczególnych oferowanych produktów, by zorientować się, czy dane ogniwo lepiej sprawdza się w miejscu, gdzie istnieje duże ryzyko zasłaniania paneli liśćmi, albo gdy wiadomo, że panele będą narażane na silniejsze naprężenia, co może powodować zwiększoną liczbę mikrouszkodzeń, prowadzących do degradacji ogniw. Akademia Zeneris Projekty Przedstawiamy kolejny z artykułów poświęconych tematyce zastosowań fotowoltaiki w aplikacjach profesjonalnych. Publikacje, które zostały opracowane wspólnie z firmą Zeneris Projekty, dostawcą profesjonalnych systemów PV, stanowią cykl wydań wprowadzający kompleksowo w tematykę fotowoltaiki oraz jej zastosowań w przemyśle i pokrewnych branżach. Polecamy odwiedziny strony gdzie znajduje się regularnie aktualizowane kompendium wiedzy z omawianego zakresu. Marcin Karbowniczek Kompendium wiedzy publikowane wspólnie z partnerem merytorycznym Zeneris Projekty. Zeneris Fotowoltaika to technologia generująca energię elektryczną ze światła. Efekt fotowoltaiczny po raz pierwszy zaobserwował w 1839 roku Alexandre-Edmond Becquerel. Termin „fotowoltaika” pochodzi od greckich słów oznaczających „światło” i „napięcie”. Zwykle odbywa się to za pomocą paneli słonecznych lub ogniw fotowoltaicznych, które przekształcają światło w energię elektryczną. Panele fotowoltaiczne są często wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej w odległych obszarach, gdzie dostęp do sieci elektrycznej jest ograniczony lub niedostępny. Ogniwa fotowoltaiczne wytwarzają energię elektryczną, gdy są wystawione na działanie promieni słonecznych. Zamieniają energię świetlną na energię elektryczną. Proces instalacji fotowoltaiki jest trudny i czasochłonny. Wymaga dużo pracy i dużo czasu. Należy to również wykonać w środowisku o minimalnej ekspozycji na słońce, co utrudnia firmom instalacyjnym pracę w ciągu dnia. Fotowoltaika Gdańsk to forma energii słonecznej, która zamienia światło słoneczne na energię elektryczną. Składają się z ogniw fotowoltaicznych, które mogą być instalowane na dachach, a także w dużych farmach fotowoltaicznych. Proces instalacji jest stosunkowo prosty, a panele można zmontować w kilka godzin. Panel składa się z ogniw fotowoltaicznych, które zamieniają światło słoneczne na energię elektryczną, podczas gdy falownik pobiera prąd stały wytwarzany przez panel i zamienia go na prąd przemienny wykorzystywany przez domy i firmy. Ogniwa fotowoltaiczne to urządzenia, które przetwarzają energię świetlną na prąd elektryczny. Ogniwa fotowoltaiczne są składane w panele, które następnie montowane są na ramie tworząc moduł fotowoltaiczny. Moduł fotowoltaiczny jest następnie instalowany na dachu budynku lub innej powierzchni. Panel słoneczny przekształca energię słoneczną w energię elektryczną, absorbując fotony, które pobudzają elektrony w komórce i powodują ich swobodny przepływ w jednym kierunku, generując prąd elektryczny. Wytworzony prąd może być wykorzystywany jako prąd stały (DC) do zasilania urządzeń elektrycznych lub jako prąd przemienny (AC) do dostarczania energii elektrycznej do sieci energetycznej i innych odbiorników prądu przemiennego. Interesujesz się marketingiem internetowym? Dowiedz się ile kosztuje skuteczne pozycjonowanie lokalne. Fotowoltaika, zwana również „energią słoneczną”, jest odnawialnym źródłem energii. Ogniwa fotowoltaiczne przekształcają światło słoneczne w energię elektryczną. Ogniwa te są wykonane z krzemu, materiału półprzewodnikowego, który pochłania światło słoneczne i przekształca je w energię elektryczną. Ogniwo fotowoltaiczne składa się z dwóch warstw: dolna warstwa składa się z płytek krzemowych, a górna z przezroczystego przewodnika, takiego jak srebro lub miedź. Warstwa spodnia zawiera wiele małych kryształków krzemu, które nazywane są „fotoprzewodnikami”. Kiedy światło słoneczne pada na ogniwo, wyzwala prąd elektryczny w krzemie, który przewodzi prąd do górnej warstwy, gdzie można go łatwo wydobyć z ogniwa. Ogniwa fotowoltaiczne (PV) przetwarzają światło bezpośrednio na energię elektryczną. Ogniwa są wykonane z materiału półprzewodnikowego i pod wpływem światła słonecznego wytwarzają prąd elektryczny. Panele fotowoltaiczne są zwykle montowane na dachach i ścianach, ale można je również montować w systemie naziemnym. Panele fotowoltaiczne można ustawić w obwodach szeregowych lub równoległych, aby wytworzyć pożądane napięcie lub prąd dla danej aplikacji. Fotowoltaika to odnawialne źródło energii, które może pomóc zmniejszyć naszą zależność od paliw kopalnych. Panele fotowoltaiczne gromadzą energię słoneczną i zamieniają ją na energię elektryczną. Zazwyczaj są instalowane na dachach, gdzie mogą przechwycić najwięcej światła słonecznego. Panele składają się z ogniw, które zawierają płytki krzemowe, które wytwarzają energię elektryczną pod wpływem światła. Istnieje falownik, który przekształca prąd stały z panelu na prąd przemienny do użytku w domach lub firmach. Fotowoltaika to odnawialne źródło energii. Zamienia światło słoneczne w energię elektryczną i jest przyjazny dla środowiska. Ogniwa fotowoltaiczne składają się z krzemu, który można znaleźć w piasku oraz innych materiałów, takich jak miedź, ind i selen. Krzem jest najobficiej występującym materiałem na Ziemi i może być wykorzystywany do produkcji paneli słonecznych po niskich kosztach. Panele słoneczne są instalowane w różnych częściach świata w zależności od ilości światła słonecznego, jaką otrzymują. Na przykład znajdują się na dachach w regionach o większym nasłonecznieniu lub na zewnątrz budynków, w których drzewa lub budynki nie mają cienia. Panele słoneczne można montować bez żadnych narzędzi ani elementów złącznych, korzystając z zatrzaskowej konstrukcji panelu i haczyków do łączenia ich ze sobą. Fotowoltaika Elbląg to odnawialne źródło energii, które zamienia światło w energię elektryczną. Jest jednym z najważniejszych źródeł czystej energii na świecie. Proces instalacji fotowoltaicznej (PV) rozpoczyna się od badania terenu w celu określenia, czy miejsce jest odpowiednie dla paneli słonecznych. Obejmuje to sprawdzenie cienia, orientacji dachu i innych czynników, które utrudniałyby instalację paneli słonecznych. Następnym krokiem jest wybór układu i rozmiaru paneli w oparciu o pożądaną wydajność i dostępną powierzchnię dachu. Panele są następnie montowane na stojakach lub ramach, łączone ze sobą i podłączane do falownika. Nowe rozwiązania w ogniwach PV krzemowych Klasy ogniw krzemowych Co to jest fotoogniwo? Ogniwa fotowoltaiczne, ogniwa słoneczne lub fotoogniwa są to urządzenia, które zamieniają energię promieniowania słonecznego bezpośrednio w energię elektryczną. Budowa ogniw fotowoltaicznych Większość obecnie produkowanych ogniw fotowoltaicznych oparta jest na półprzewodnikowych złączach p-n. Ogniwo słoneczne składa się z dwóch warstw: jednej ujemnie naładowanej i drugiej naładowanej dodatnio. Światło słoneczne padając na ogniwo słoneczne inicjuje reakcję fizyczną, w efekcie której powstaje prąd stały. Jako, że większość urządzeń elektrycznych i sieć energetyczna wykorzystuje prąd zmienny, wyprodukowany prąd stały musi zostać przekonwertowany do prądu zmiennego o właściwym napięciu. Proces ten jest dokonywany za pomocą przetwornika zwanego falownikiem. Opis zjawiska – aby zrozumieć proces powstawania prądu w ogniwie fotowoltaicznym musimy przypomnieć sobie z fizyki naturę światła. Zgodnie z teorią Einsteina, o falowo korpuskularnej naturze promieniowania, światło słoneczne możemy traktować jako fale rozchodzące się w przestrzeni z pewną częstotliwością, lub strumień fotonów (kwantów), z których każdy niesie energię. Fotony zderzając się z elektronami przekazują im całą niesioną przez siebie energię, przy czym przy odpowiednio dużej jej wartości dochodzi do zjawiska fotoemisji, czyli wybicia elektronów z orbit atomowych. Atom który stracił elektron uzyskuje ładunek dodatni „+e”, a miejsce w którym brakuje elektronu nazywamy dziurą (-e). Zjawisko fotoemisji elektronów zachodzi najszybciej w atomach posiadających dużą ilość tzw. elektronów walencyjnych, poruszających się po orbitach najdalej położonych od jądra. Przykładem takiego pierwiastka jest krzem, który posiada na ostatniej powłoce 4 elektrony walencyjne. Krzem chociaż nie jest metalem, ma zdolność do przewodzenia prądu. Przewodność ta jest jednak niewielka, dlatego w technice wykorzystuje się krzem modyfikowany, jako półprzewodnik typu „n” i „p”. Półprzewodnik typu n (negative) uzyskuje się przez dodanie w procesie wzrostu kryształu domieszek pięciowartościowych, czyli takich, które posiadają o 1 elektron walencyjny więcej od krzemu (np. fosfor, arsen, antymon). Ten piąty elektron z powodu braku pary nie będzie brał udziału w tworzeniu wiązania kowalencyjnego. Będzie słabo związany z jądrem, a więc niewielka ilość energii będzie potrzebna, aby zerwać to wiązanie. Półprzewodnik typu p (positive) uzyskuje się analogicznie poprzez dodanie do kryształu pierwiastków trójwartościowych (np. bor, ind, glin), co spowoduje zdekompletowanie jednego z wiązań kowalencyjnych w sieci krystalicznej i powstanie dziur elektronowych. Przy połączeniu ze sobą obu półprzewodników powstaje między nimi różnica potencjałów i zaczyna płynąć prąd. Jego wartość jest niewielka, ale jeśli doprowadzimy do układu energię fotonów różnica potencjałów gwałtownie wzrośnie. Budowa ogniwa fotowoltaicznego Pojedyncze ogniwo fotowoltaiczne składa się z płytki krzemowej. Na górnej powierzchni płytki umieszczona jest elektroda zbierająca elektrony w postaci siatki, a na dolnej nanoszona jest elektroda dolna w postaci warstwy metalicznej Pojedyncze ogniwa krzemowe wykonywane są o wymiarach 4×4″, 5×5″ i 6×6″, czyli 10×10 do 15x15cm i są w stanie wygenerować prąd o mocy od 1-6,97 W. W praktyce wielkość energii uzyskanej z jednego ogniwa nie przekracza zwykle 4 W. Ogniwa łączy się szeregowo i równolegle w baterie (panele fotowoltaiczne). Jeden panel jest juz w stanie wygenerować moc dochodzącą do 300W. Rodzaje ogniw fotowoltaicznych Ogniwa krzemowe (I generacji) Obserwując na targach panele fotowoltaiczne, z pewnością zauważyliśmy różne kolory i kształty pojedynczych ogniw. Jest to związane z ich budową i procesem produkcyjnym. Najpopularniejsze i mające zdecydowanie największy udział w rynku to ogniwa tzw. I generacji wykonane z płytek krzemowych o grubości od 0,1-0,3mm, stąd inna nazwa grubowarstowe. Ogniwa te posiadają złącze typu n-p i wykonywane są z krzemu monokrystalicznego lub polikrystalicznego. Ogniwa monokrystaliczne – tworzone są z jednego kryształu krzemu o uporządkowanej strukturze wewnętrznej, osiągają najwyższą sprawność (do 22%) i największą żywotność, ale są kosztowne. Mają obecnie największy udział w rynku. Wytwarzanie ogniw monokrystalicznych wymaga wyprodukowania pojedynczych kryształów krzemu. W praktyce stosowany jest najczęściej proces Czochralskiego polegający na wyciąganiu pojedynczego kryształu krzemu z roztopionej masy polikryształów. Zarodkiem wokół którego narasta stopniowo kryształ krzemu wykonany jest z krzemowego pręta. Tygiel w którym znajduje się hodowany kryształ dodatkowo wprowadzony jest w ruch obrotowy, aby polepszyć rozkład temperatur. W rezultacie otrzymuje się cylindryczny monokryształ o orientacji krystalograficznej zarodka. Wymiary i kształt hodowanego kryształu (średnica oraz długość) kontrolowane są poprzez prędkość przesuwu i prędkość obrotową zarodka, ograniczone są jednak poprzez parametry układu zastosowanego do hodowli. Fot. Proces wzrostu kryształów krzemu zachodzi w temperaturze 1400 C (po prawej), po lewej gotowe pręty krzemowe do pocięcia na płytki. Ryc. Po lewej schemat obrotowego tygla do metody Czochralskiego, po prawej – imponujący kryształ krzemu. Fot. Etapy metody Czochralskiego (1) Topienie materiału, (2) stabilizacja temperatury, (3) Kontakt zarodek-roztop, (4) krystalizacja przedłużenia zarodka, (5) powiększenie średnicy (stożek początkowy), (6) wzrost części walcowej. Szybkość przyrostu kryształu waha się od 10 do nawet 50mm/h. Wyciągnięcie walca o długości 1m trwa zwykle około 30h. Wyhodowany kryształ w kształcie walca cięty jest najpierw na pionowe kolumny o zaokrąglonych bokach, a następnie za pomocą lasera lub druta ze stali nierdzewnej na tzw. „wafle” płytki o grubości 0,3mm i promieniu od kilku do kilkunastu cm. Płytki takie mają ładunek (p-) a technologia tego typu nosi nazwę grubowarstwowej. W pojedynczych płytkach w cienkiej warstwie powierzchniowej za pomocą dyfuzji fosforu wytwarza się obszar typu (n+). Połączenie ze sobą dwóch takich płytek daje złącze (p-n). Krzem krystaliczny, a ściślej jego powierzchnia, ma tendencję do odbijania padających promieni słonecznych (nawet do 40%). Aby temu zapobiec na powierzchnię płytki nanosi się cienką warstwę przeciwodblaskową. Dalsza produkcja polega na naniesieniu ścieżek prądowych z cienkich pasków folii aluminiowej i zabezpieczeniu całego ogniwa przed wpływem warunków atmosferycznych specjalną warstwą folii organicznej EVA (Etyleno Vinylo Acid). Dzięki takiej hermetycznej strukturze ogniwa mogą pracować w instalacjach całorocznych ponad 25 lat. Wyhodowany kryształ w kształcie walca cięty jest następnie za pomocą lasera na płytki o grubości 0,3mm i promieniu od kilku do kilkunastu cm. Płytki takie mają ładunek (p-) a technologia tego typu nosi nazwę grubowarstwowej. W pojedynczych płytkach w cienkiej warstwie powierzchniowej za pomocą dyfuzji fosforu wytwarza się obszar typu (n+). Połączenie ze sobą dwóch takich płytek daje złącze (p-n). Krzem krystaliczny, a ściślej jego powierzchnia, ma tendencję do odbijania padających promieni słonecznych (nawet do 40%). Aby temu zapobiec na powierzchnię płytki nanosi się cienką warstwę przeciwodblaskową. Dalsza produkcja polega na naniesieniu ścieżek prądowych z cienkich pasków folii aluminiowej i zabezpieczeniu całego ogniwa przed wpływem warunków atmosferycznych specjalną warstwą folii organicznej EVA (Etyleno Vinylo Acid). Dzięki takiej hermetycznej strukturze ogniwa mogą pracować w instalacjach całorocznych ponad 25 lat. Rys. Pojedyncze ogniwo monokrystaliczne i fragment panelu. Ogniwa polikrystaliczne – produkowane są zwykle metodą odlewania tyglowego (rys. po lewej). Surowe kawałki krzemu topi się w w tyglu o prostopadłościennym kształcie uzyskując jeden duży blok krzemowy. Ten cięty jest następnie na prostopadłościany i dalej na płytki („wafle”) o grubości <0,2mm. Koszt produkcji jest znacznie mniejszy i mniej energochłonny niż w przypadku metody Chochralskiego, dzięki czemu są tańsze od monokrystalicznych jednak posiadają mniejszą sprawność. Posiadają niebieski kolor oraz mają wyraźnie zarysowane kryształy krzemu przypominające szron. Ze względu na niską cenę obecnie są najczęściej stosowanymi fotoogniwami na rynku. Dalsza obróbka polega na: – szlifowaniu płytek – nałożeniu ścieżek prądowych metodą druku sitowego – nałożenie warstwy antyodblaskowej Sprawność modułów polikrystalicznych wynosi 15-18%. Jest więc niższa niz ogniw monokrystalicznych, ale jednocześnie tańsza w produkcji. Koszt wyprodukowania ogniwa polikrystalicznego wynosi 2,3zł/W podczas gdy monokrystalicznego 2,5zł/W. Fot. Pojedyncze ogniwo polikrystaliczne i fragment panelu. Ogniwa II generacji Są także zbudowane w oparciu o złącze n-p jednak nie z krzemu krystalicznego lecz np. z tellurku kadmu (CdTe), mieszaniny miedzi, indu, galu, selenu (CIGS) czy krzemu amorficznego (a-Si). Ich cechą charakterystyczną jest bardzo mała grubość warstwy półprzewodnika absorbującej światło, która zazwyczaj waha się od 0,001-0,08mm, stąd inna nazwa ogniwa cienkowarstwowe. Z uwagi na dużą redukcję zużycia półprzewodników są znacznie tańsze w produkcji, a cały proces bardziej zautomatyzowany. Ogniwa PV II generacji nie mają ściśle zdefiniowanego materiału z którego są wykonane. Jego struktura może być krystaliczna, jak i amorficzna. Ważniejszy jest proces ich produkcji metodą cienkowarstwową poprzez: – napylanie – naparowywanie – epitaksję Mniejsza grubość warstwy absorbera promieniowania słonecznego powoduje krótszą drogę promienia w materiale, wymuszając aby absorpcja przebiega szybciej, możliwie blisko powierzchni ogniwa. Determinuje to zastosowanie do produkcji tej warstwy materiałów posiadających własności absorpcyjne jak: tellurek kadmu, azotek indu, fosforek indu, itp. Ogniwa III generacji Nie posiadają już klasycznego złącza typu p-n, mechanizm powstawania w nich ładunku elektrycznego jest charakterystyczny dla danego procesu i rozwiązania i ma charakter nowatorski. Obecnie wyróżnia się co najmniej pięć typów takich ogniw: – ogniwa w układach koncentrujących światło (koncentratory PV) – wysokosprawne wielozłączowe struktury półprzewodnikowe – ogniwa uczulane barwnikiem – ogniwa organiczne OPV – inne ogniwa np. perowskitowe Ogniwa III generacji nie mają obecnie większego zastosowania z uwagi na ich nadal krótki czas pracy i często niską sprawność. Charakterystyka wybranych ogniw Ogniwa krzemowe monokrystaliczne Posiadają ciemny jednolity kolor, maja największy udział w rynku. technologia ich produkcji została opisana powyżej. Ogniwa monokrystaliczne mają bardzo wysoką sprawność dochodząca obecnie do 20% i więcej. Osiągają ja jednak tylko w słoneczne, bezchmurne dni. Przy zachmurzeniu ich wydajność bardzo spada. Inną wadą tego typu ogniw jest duży wskaźnik spadku mocy wraz ze wzrostem temperatury wynoszący zwykle od 0,4-0,5%/ºC. Z krzemu monokrystalicznego produkowane są także ogniwa z heterozłączem, które oprócz krzemu monokrystalicznego posiadają także dwie cienkie warstwy krzemu amorficznego (ogniwa typu HIT- Heterojunction with Intrinsic Thin layer). Rozwiązanie takie zapewnia wysoką sprawność dzięki absorbowaniu także światła rozproszonego niskoenergetycznego, występującego w pochmurne dni. Ogniwa typu HIT Moduł Sanyo HIT-N230 zademonstrowany podczas konferencji prasowej Sanyo Electric Solar Division opiera się na wykorzystaniu pojedynczej warstwy monokrystalicznego krzemu typu n, sąsiadującej z bardzo cienkimi warstwami krzemu amorficznego typu n z jednej strony, oraz typu p z drugiej strony. Ogniwa typu Hit ma sprawność na poziomie 22,8% i grubość jedynie 98μm. Tak cienkie ogniowo zmniejsza koszty produkcyjne, czyli główną barierę popularyzacji tej drogi pozyskiwania zielonej energii. Technologia wytwarzania tego typu ogniw pozwala na stosowanie niskich temperatur, co powoduje tylko nieznaczną dyfuzję zanieczyszczeń do płytki bazowej w trakcie napylania poszczególnych warstw. Zaletą ogniw jest dużo wyższa wydajność przy wysokich temperaturach ale również wyższa efektywność przy typowych warunkach pracy. Moduł Sanyo N230 cechuje sprawność, tj. stosunek energii przetworzonej do energii dostarczonej na poziomie 20,7 %. Tak wysoki wynik udało się uzyskać dzięki zwiększeniu liczby połączeń elektrycznych pomiędzy poszczególnymi ogniwami, jednocześnie zmniejszając ich przekrój. Ponadto ogniwa zostały pokryte warstwą srebra, co wpłynęło na zmniejszenie stopnia rozproszenia i odbicia światła. Moduły Sanyo N230 trafiły do sprzedaży detalicznej w Japonii jesienią 2010 roku, a w Europie na początku 2011 roku. Firma Sanyo produkuje ogniwa typu HIT w kształcie klasycznym i zmodernizowanym do kształtu plastra miodu (Honeycomb Design – HD). To ostatnie rozwiązanie pozwala w bardziej wydajny sposób wykorzystać kryształy krzemu. Fot. Wygląd panelu Sanyo HIT H250E01 All Back Contact Innym rozwiązaniem ogniw monokrystalicznych o wysokiej sprawności są ogniwa typu All Back Contact posiadające obie elektrody z tyłu ogniwa. W tego typu ogniwach nie widać na przedniej ściance charakterystycznych nitek elektrod, bowiem obie elektrody umieszczone są na tylnej ściance ogniwa. Pozwala to na większą powierzchnię absorpcji promieniowania i osiąganie sprawności na poziomie ponad 22%. Są to obecnie najwydajniejsze ogniwa fotowoltaiczne w produkcji komercyjnej na świecie. Ich wadą jest skłonność do polaryzacji co prowadzi do degradacji indukowanym napięciem PID (Potential Induced Degradation). Rys. Budowa ogniwa Back kontact. Fot. Wygląd ogniwa po lewej -od tyłu, po prawej od frontu. Ogniwa amorficzne – wykonane są z amorficznego, bezpostaciowego niewykrystalizowanego krzemu dyfundowanego wodorem w il ości 8-12% (a-Si:H). Charakteryzują się niską sprawnością w przedziale 6-8% oraz niską ceną. Produkcja ogniwa polega na nakładaniu cienkich warstw krzemu na szkle, stali nierdzewnej lub tworzywach sztucznych. Zazwyczaj posiadają charakterystyczny lekko bordowy kolor i brak widocznych kryształów krzemu. Są powszechnie stosowane w kalkulatorach. Grubość warstwy krzemu naniesionej na taflę szklaną wynosi tutaj do 2 mikronów. Wydajność amorficznej baterii słonecznej krzemowej zazwyczaj spada w ciągu pierwszych sześciu miesięcy pracy (tzw. efekt Staeblera-Wrońskiego SWE). Spadek ten może wynosić od 10% do 30% w zależności od jakości materiału i konstrukcji urządzenia. Większość tej straty ma wpływ na współczynnik wypełnienia FF, który spada z początkowej wartości 0,7 do 0,6.. Po tym początkowym spadku efekt osiąga równowagę i powoduje niewielką degradację. Poziom równowagi zmienia się wraz z temperaturą roboczą tak, że wydajność modułów w miesiącach letnich nieco poprawia się i ponownie spada w miesiącach zimowych. Większość dostępnych w handlu modułów a-Si ma degradację SWE w zakresie 10-15%, a dostawcy zazwyczaj określają wydajność w oparciu o wydajność po ustabilizowaniu się degradacji SWE. Powoduje to, że „świeżo” zamontowane moduły z krzemu amorficznego generują znacznie wyższe moce w początkowym okresie pracy, co może stanowić problem dla falowników. Problem niskiej sprawności paneli z krzemu amorficznego rozwiązano wprowadzając: – nanokrystaliczny krzem zamiast amorficznego krzemu – pracę w wyższej temperaturze. Można to osiągnąć przez włączenie PV do fotowoltaicznego termicznego hybrydowego kolektora słonecznego (PVT). PVT może pracować w wyższych temperaturach niż w przypadku standardowych PV, poprawia to wydajność o ~ 10%. – konstrukcję wielozłączową, zawierającą materiały ułożone jeden na drugim i absorbujące różne części spektrum promieniowania. Zapewniło to uzyskanie wysokich sprawności 17-24%. Zaletą ogniw amorficznych jest stosunkowo wysoka sprawność w pochmurne dni dzięki absorpcji niskoenergetycznego promieniowania, co zapewnia mały spadek mocy paneli amorficznych w porównaniu do monokrystalicznych przy silnym zachmurzeniu. Ogniwa wielozłączowe Wykonane są z mieszaniny pierwiastków np. miedzi, indu, galu, selenu. W technologii produkcji wykorzystuje się nanoszenie warstwowe. W przypadku ogniw CIGS także metodę przemysłowego druku. W tej technologii moduł PV zbudowany jest najczęściej z jednego dużego ogniwa Sprawność powyższych ogniw wynosi odpowiednio: – moduły CdTe – 12-14% (ostatnie dane z 2016 roku firmy First Solar największego światowego producenta mówią już o średniej sprawności rzędu 16,6%) – moduły CIGS – 13-16% – moduły z krzemu amorficznego a-Si – 6-8% Rys. Budowa ogniwa CIGS. Najlepszym obecnie pod względem sprawności materiałem używanym przy produkcji fotoogniw jest arsenek galu (GaAs), osiągający sprawność na poziomie 35%. Jednakże z powodu bardzo drogich technologii nie ma praktycznego zastosowania w przemyśle, prototypowe instalacje zastosowano tylko w kosmonautyce. Schemat struktury CIGS przedstawiono na rys. obok. Warstwę absorbera otrzymuje się przez termiczne naparowanie z czterech źródeł na pokryte metalem szkło sodowe. Metalizacja ta to tylny kontakt omowy ogniwa, do którego podłączone są przewody odprowadzające prąd i stanowi ją cienka warstwa molibdenu – metalu dającego omowy kontakt z CIGS. Ogniwa barwnikowe (DSC lub DSSC) Należące do tej grupy ogniwa bazują na odwracalnym procesie fotochemicznym. Absorberem jest barwnik (organiczny lub nieorganiczny) dobrze pochłaniający promieniowanie poniżej 900 nm. Między dwoma warstwami z przewodzącego tlenku (TCO) umieszcza się membranę z ditlenku tytanu nasyconą elektrolitem (roztwór jodu i jodku potasu) i barwnik. Molekuła barwnika, absorbując foton, podnosi chwilowo swoją energię (ulega wzbudzeniu) i przekazuje ją ditlenkowi tytanu w postaci swobodnegoelektronu, który transportuje ładunek elektryczny do tylnej elektrody TCO. Barwnik ulega redukcji w reakcji z elektrolitem, który z kolei powraca do stanu wyjściowego, pobierając elektron z przedniej elektrody (TCO domieszkowanej platyną). Ogniwa DSC o takiej budowie osiągają laboratoryjną sprawności na poziomie do 11 proc. (ogniwa Graetzla z barwnikiem na bazie polipirydylowych kompleksów rutenu i osmu). Rys. Budowa ogniwa barwnikowego. Niewątpliwą zaletą ogniw uczulanych barwnikiem jest niewielka wrażliwość na zmianę temperatury, wadą zaś konieczność stosowania ciekłego elektrolitu ograniczającego znacznie ich żywotność. Rozwiązaniem tego problemu może być kompromis w zakresie sprawności i trwałości uzyskiwany przez zastosowanie polimerowego elektrolitu żelowego lub rezygnacja z elektrolitu na rzecz stałego półprzewodnika typu p. Potencjał rozwoju technik realizacji ogniw DSC tkwi w niskich kosztach procesu technologicznego i materiału (głównie absorbera) oraz możliwości zastosowania odnawialnych związków organicznych. Pozwalają na zastosowanie w elementach transparentnych jak szyby wystawowe, świetliki Ogniwa organiczne Oparte są na organicznych materiałach półprzewodnikowych (polimerach, oligomerach, dendrymerach), w których podczas absorpcji promieniowania dochodzi do powstawania ekscytonów – par związanych ze sobą ładunków o przeciwnych biegunach. Proces dysocjacji (rozbicia) ekscytonu uwalnia ładunki i umożliwia ich migrację w kierunku elektrod. Do separacji dochodzi w rejonie styku metal – organiczny półprzewodnik, a także na styku materiału organicznego donorowego i akceptorowego. Ogniwa wykonywane są w technice cienkowarstwowej na podłożach szklanych z przednią elektrodą TCO i tylną aluminiową, pełniącą również funkcję zwierciadła. Absorber organiczny może być realizowany w postaci pojedynczej warstwy polimeru, dwóch warstw różnych polimerów z heterozłączem lub ich mieszaniny (heterozłącze – przestrzenne), a także wielowarstwowo. Sprawności ogniw heterozłączowych wynosi przeciętnie od 0,007 do 1 proc., a w przypadku skomplikowanych struktur wielowarstwowych dochodzi do 5 proc. Najważniejszymi atutami ogniw organicznych są: ich znakomita absorpcja dochodząca do 90 proc. na drodze zaledwie 100 nm, nietoksyczność oraz bardzo niskie koszty produkcji. Największe wady to: złożony proces generacji swobodnych nośników ładunku, wysokie straty wewnętrzne, duże ryzyko uszkodzenia w wysokiej temperaturze i niestabilność parametrów w perspektywie długiego czasu użytkowania. W kraju ogniwa organiczne produkowane są przez firmę Konarka pod nazwą „Power plastic” Fotoogniwa power plastic produkowane są ze specjalnego polimerowego atramentu metodą nadruku. Ich wydajność energetyczna jest mała i nie przekracza 6%, podobnie jest z trwałością, szacowaną na 5 lat (krzemowe do 30 lat). Zaletą rozwiązania jest możliwość wykonania dowolnej struktury ogniwa i umieszczenia go na każdej powierzchni o nietypowym kształcie. Fot. Po lewej Ogniwo Konarka. Ogniwa obustronne To rozwiązanie do wąskiego stosowania, dla barierek, szyb wystawowych, ogrodzeń. Ogniwo obustronne posiada warstwy przednią i tylko do absorbowania energii słonecznej. Zwykle konwersja promieniowania strony przedniej jest wyższa niż tylnej. Ogniwa tego typu pozwalają zagospodarować energię światła odbitego. W szczególnych warunkach (kat padania promieni) zysk z ich zastosowania może sięgać od 5-50%. Największą sprawność uzyskują zwykle tam, gdzie panel ustawiony musi być pod kątem 90 do podłoża, a słońce wykonuje długa wędrówkę po niebie. Rys. Po lewej, ogniow obustronne, budowa. U dołu wygląd pojedynczego ogniwa i przykładowe zastosowanie w szybie wystawowej. Ogniwa wykorzystujące inne zjawiska Trwają badania nad wykorzystaniem w konwersji fotowoltaicznej nanostruktur kwantowych (studnie, druty i kropki kwantowe), które umożliwiłyby absorpcję większej ilość energii niesionej przez strumień światła białego bez strat związanych z występowaniem dla danego materiału maksimum czułości tylko dla promieniowania o określonej długości. Poprzez zmiany wymiarów nanostruktur kwantowych można je uczulać na konkretne długości fal – podobnie jak poprzez zmianę barwnika w ogniwach uczulanych barwnikiem. Przewaga nanostruktur wynika z możliwości jednoczesnego uczulenia ogniwa na kilkanaście, a nawet kilkadziesiąt różnych długości fal. Wytwarzanie struktur kwantowych od kilku do kilkudziesięciu nanometrów jest możliwe tylko przy zastosowaniu bardzo drogich i ściśle kontrolowanych metod epitaksjalnego wzrostu warstw krystalicznych (np. epitaksji z wiązek molekularnych). Koszt może być jednak zniwelowany przez wysoką sprawność ogniw używanych w układzie z koncentratorami. Struktury kwantowe mogą być stosowane zarówno w celu poprawy sprawności krystalicznych ogniw I generacji, jak również w nowych technologiach, np. z elektrolitycznym nośnikiem ładunku. Rys. Budowa ogniwa z kropkami kwantowymi. Na bazie kropek kwantowych zbudowanych jest wiele urządzeń, w tym tranzystory, diody elektroluminescencyjne, lasery, znaczniki medyczne, nośniki leków, ogniwa barwnikowe DSSC (z ang. dye sensitized solar cells). Badacze z LANL oraz UNIMIB zaprojektowali i wykonali tzw. luminescencyjny koncentrator energii promieniowania słonecznego (z ang. luminescent solar concentrator, LSC). Aparatura w formie płyty lub folii polimerowej zawiera centra luminescencyjne, dzięki którym padające promieniowanie słoneczne jest absorbowane. Polimerowa matryca koncentratora pracuje jak światłowód. Ograniczają ją krawędzie, gdzie umieszczone są ogniwa fotowoltaiczne. Zaabsorbowane przez centra (kropki) promieniowanie przesyłane jest do krawędzi koncentratora, gdzie następnie ulega ono konwersji na energię elektryczną. Centra działają jak zbiór pochłaniających światło anten, które skupiają promieniowanie słoneczne zebrane z dużego obszaru na znacznie mniejszą powierzchnię ogniw PV umieszczonych po bokach. Przekłada się to na znaczne zwiększenie intensyfikacji produkcji urządzenie oparte na kropkach kwantowych posiadało wywołane sztucznie, duże oddzielenie pasma absorpcji od pasma emisji (tzw. duże przesunięcie Stokesa). Kropki kwantowe zbudowane były ze struktur selenku kadmu i siarczku kadmu (CdSe/CdS). Absorpcja światła odbywała się przez stosunkowo grubą powłokę z CdS, a emisja następowała dzięki wnętrzu z CdSe. Rozdzielenie funkcji absorpcji i emisji światła między dwoma elementami nanocentrum luminescencyjnego, znacznie zmniejszała straty podczas ponownego wchłaniania promieniowania. Rys. Zasada działania ogniwa z kropkami kwantowymi (Kropki kwantowe absorbują promieniowanie i transportują je przez matrycę z tworzywa sztucznego PMMA do ogniw PV na krawędziach) Tak działające kropki kwantowe umieszczono w przezroczystej polimerowej płycie z polimetakrylanu metylu (PMMA) o wymiarach odpowiadających standardowym szybom. Pomiary spektroskopowe nie wykazały praktycznie żadnych strat podczas przesyłu promieniowania na odległości kilkudziesięciu centymetrów. Ponadto, badania z zastosowaniem symulowanego promieniowania słonecznego dowiodły, że urządzenie posiadało wydajność pochłaniania fotonów na poziomie około 10% (dla oka ludzkiego płyta z kropkami kwantowymi była przezroczysta jak tradycyjna szyba). Perowskity – to materiały o specyficznym ułożeniu siatki krystalicznej. Ich właściwości nie determinuje skład, lecz struktura ułożenia atomów. Nazwę zawdzięczają rosyjskiemu geologowi Lwu Perowskiemu, którego znajomy, Niemiec Gustav Rose, jako pierwszy sklasyfikował ten charakterystyczny układ atomów na podstawie tytanianu wapnia występującego w skałach Uralu. Wydarzyło się to ponad sto lat temu i od tamtej pory wszystko, co ma taki sam układ atomów jak tytanian wapnia, jest nazywane perowskitem. Jak nietrudno się domyślić, jest bardzo dużo różnego typu perowskitów. Jedne występują w naturze (np. w skałach, magmie), inne można wytwarzać w laboratoriach w procesie syntezy chemicznej. Najbardziej interesujące są tzw. perowskity hybrydowe. Oznacza to, że są materiałem po części organicznym, a po części nieorganicznym. Takie połączenie w naturze występuje bardzo rzadko i daje w rezultacie niezwykle unikalne właściwości. Perowskity są świetnymi pochłaniaczami światła. Lepszymi nawet niż dotychczasowy champion arsenek galu, który z kolei jest znacznie lepszy od najbardziej popularnego dzisiaj krzemu. Dzięki temu są w stanie pochłonąć światło w ultracienkich warstwach. Zmniejsza to przynajmniej trzykrotnie zużycie materiału niezbędnego do wyprodukowania takiego ogniwa. Jako że ów materiał wytwarzany jest w procesie syntezy chemicznej z bardzo tanich materiałów startowych, zasoby są, tak jak w przypadku krzemu, teoretycznie nieograniczone. Bardzo praktyczne jest również to, że ogniwa można wytwarzać w procesie mokrej chemii. To znaczy, że na przykład można taki perowskit po prostu nadrukować. Sprawność fotoogniw na bazie perowskitów dochodzi do 20%. Jednak nie to jest najcenniejsze, jest to bowiem materiał, który daje sie nakładać na niemal każdą powierzchnię. Wykorzystując tę technologię niedługo będziemy mogli wykonać fotoogniwo nie tylko na fragmencie dachu ale wręcz na całym dachu. Ogniwem będzie pokryta perowskitem dachówka, czy cała szyba w oknie. Ogniwem może być obudowa laptopa, kadłub jachtu, itp. możliwości są niemal nieograniczone. Rozwojem technologii zajmuje się polska firma Saule Technologies. Rys. Struktura krystaliczna perowskit Wafle krzemowe, zwane także podłożem krzemowym lub plastrem krzemowym to cienkie płytki monokrystalicznego krzemu stosowane powszechnie w elektronice do produkcji układów scalonych, ogniw fotowoltaicznych czy mikroukładów elektromechanicznych. Powstają z wałków niemal w 100% idealnego krzemu krystalicznego, w procesie cięcia diamentowym ostrzem. Następnie poleruje się je (dla wafli przeznaczonych do układów scalonych) lub teksturuje (w przypadku elementów mających zastosowanie jako ogniwa solarne).Wymiary podłoży krzemowychWafle przeznaczone do paneli słonecznych mają postać kwadratów o boku 100-200 mm i grubości 200-300 μm, jednak już teraz dąży się do tego, aby w przyszłości stosować elementy o grubości 160 μm. Dla elektroniki przeznaczone są wafle o średnicy 100-300 mm, a w przyszłości – mają one osiągać nawet 450 wafli krzemowychDo oczyszczania wafli krzemowych z drobnych zanieczyszczeń, jak również naprawiania uszkodzeń powstałych podczas cięcia używa się słabego kwasu. Teksturowanie, proces, któremu poddawane są podłoża krzemowe przeznaczone do ogniw słonecznych, pozwala na wytworzenie nierównej powierzchni, a tym samym – zwiększenie ich efektywności. Wafle mające zastosowanie w układach scalonych są polerowane, pozbawiane powstającego w procesie krystalizacji szkła fosforowo-krzemowego i zadrukowywane plastrów krzemowychIm większe wafle krzemowe, tym koszty ich produkcji mniejsze, a efektywność – większa. Za standard uchodzi obecnie 300 mm, czyli 12 cali, choć dąży się do 450 mm, czyli 18 cali. Najmniejsze z nich mają zaledwie 25,4 mm, czyli 1 cal. Obecnie w użyciu dostępne są następujące rozmiary podkładów krzemowych:1 cal,2 cale (50,8 mm), grubość 275 µm,3 cale (76,2 mm), grubość 375 µm,4 cale (100 mm), grubość 525 µm,5 cali (127 mm) lub 125 mm (4,9 cala), grubość 625 µm,5,9 cala lub 150 mm (określany jako 6-calowy), grubość 675 µm,7,9 cala lub 200 mm (określany jako 8-calowy), grubość 725 µm,11,8 cala lub 300 mm (określany jako 12-calowy), grubość 775 µm – zwany jest również “waflem pizzą”),Planowana jest także produkcja wafla 18 cali lub 450 mm o grubości 925 szukasz skutecznych, sprawdzonych elementów mikrofalowych, takich jak tłumiki, tranzystory wielofunkcyjne układy GAAS MMIC czy zasilacze do generatorów mikrofalowych – zapraszamy do kontaktu. Specjaliści z MICRO-ACTIV COMPONENTS są do Twojej dyspozycji. Poniżej opisano przykładowy proces wytwarzania ogniw fotowoltaicznych; podobny proces zastosowano do wytworzenia fabrycznie nowych ogniw PV na bazie płytek krzemowych od-zyskanych w procesie recyklingu. Typowe ogniwo fotowoltaiczne to płytka półprzewodnikowa z krzemu monokrystalicznego lub polikrystalicznego, w której została uformowana bariera potencjału w postaci złącza p- n. Grubość płytek zazwyczaj zawiera się w granicach 200÷500 mikrometrów. Na przednią i tylną stronę płytki naniesione są metaliczne połączenia- kontakty elektryczne. Ogniwa z krzemu monokrystalicznego wykonywane są z płytek o kształcie okrągłym, a następnie przycinane są do przekroju kwadratowego dla zwiększenia upakowania na powierzchni modułu. Monokry-staliczne ogniwa fotowoltaiczne wykazują najwyższe sprawności konwersji ze wszystkich ogniw krzemowych, ale są również najdroższe w produkcji. Wytworzone w warunkach labo-ratoryjnych pojedyncze ogniwa osiągają sprawność rzędu 24%. Ogniwa produkowane na skalę przemysłową mają sprawność rzędu 17%. Struktura multikrystaliczna (polikrystaliczna) charakteryzuje się dużymi rozmiarami ziaren: od 1 [mm] do 1 [cm]. Polikrystaliczne ogniwa krzemowe wykonywane są z dużych prostopadłościennych bloków krzemu, wytwarzanych w specjalnych piecach, w których roztopiony krzem jest powoli ochładzany, aby zainicjować wzrost polikryształu o dużych ziarnach. Bloki te są cięte na prostokątne płytki, w których formowana jest bariera potencjału. Polikrystaliczne ogniwa są nieco mniej wydajne niż mo-nokrystaliczne, ale jednocześnie koszt ich produkcji jest niższy. Płytki krzemowe wykorzysty-wane do produkcji ogniw poddawykorzysty-wane są w pierwszym etapie wstępnemu myciu, a następnie obróbce chemicznej w celu usunięcia zanieczyszczeń. Zanieczyszczenia powierzchni można podzielić na: cząsteczkowe, jonowe lub atomowe [54]. Obróbkę chemiczną przeprowadza się w gorącym roztworze KOH. Trawienie to jest koniecz-ne, gdyż krzem w obszarach przypowierzchniowych jest silnie zdefektowany, co ujawnia się w postaci mikropęknięć, powstających w wyniku cięcia bloku krzemowego na płytki. W na-stępnym etapie płytki trawi się w roztworze KOH i alkoholu izopropylowego w celu wytwo-rzenia tekstury powierzchni, zmniejszającej odbicie światła. W przypadku płytek multikrystalicznych stosowana jest również inna metoda, polegająca na równoczesnym usunięciu warstwy uszkodzonej i teksturyzację (piramidyzację) powierzchni poprzez trawienie kwasowe. Zaletą tej metody w porównaniu do trawienia w roztworze KOH jest możliwość otrzymania większej jednorodności powierzchni, brak uskoków i uzyskanie mniejszego współczynnika odbicia światła. Po procesie oczyszczania następuje formowanie złącza p- n. W zależności od rodzaju atomów domieszki otrzymujemy dwa typy przewodnic-twa:
elektronowe (półprzewodnik typu n);
dziurowe (półprzewodnik typu p). Strona 20 z 183 Półprzewodnik typu n uzyskuje się przez dodanie w procesie wzrostu kryształu krzemu do-mieszki pierwiastka pięciowartościowego, najczęściej fosforu. Półprzewodnik typu p uzyskuje się przez zastąpienie niektórych atomów krzemu atomami pierwiastka trójwartościowego, najczęściej boru. Wprowadzając różną ilość atomów domieszkowych można zmieniać rezy-stywność półprzewodnika (rys. 2. 13). Rys. Zależność rezystywności w zależności od poziomu pierwiastka domieszkowego w krzemie [48] Proces domieszkowania może być realizowany dwoma sposobami :
w rurze kwarcowej z użyciem źródła fosforu POCl3; proces dyfuzji zachodzi w temperaturze około 850 [oC] w czasie około 40 [min]. Uzyskuje się złącze o głębokości ok. 0,3 [Ω∙cm] i rezystancji powierzchniowej około 45 [Ω/□]. Proces dyfuzji może być prowadzony w układzie zamkniętym bądź otwartym w piecu jedno lub dwustrefowym (rys. 2. 14 i 2. 15). Poziom domieszki (cm-3) Rezystywność (Ω∙cm) Krzem typu p domieszkowanie borem Krzem typu n domieszkowanie fosforem Temperatura 300 K Strona 21 z 183 Rys. Dyfuzja w układzie zamkniętym (I) oraz otwartym (II) przy zastosowaniu: a, b- stałego źródła domieszki, c- gazowego źródła domieszki [10] Rys. Piec do procesu dyfuzji z POCl3 i z BBr3 i do procesu utleniania [65]
w promiennikowym piecu taśmowym (LA-310). Źródłem fosforu są pasty fos-forowe naniesione metodą sitodruku lub emulsje fosfos-forowe- przy użyciu wi-rówki. 10 Radziemska Ewa, Lipiński Marek, Ostrowski Piotr, RE-USE OF PHOTOVOTAIC CRYSTALLINE SILICON SOLAR CELLS – TECHNOLOGICAL POSSIBILITIES, Heat Transfer and Renewable Sources of Energy: HTRSE-2008: Proceedings of the XIIth International Symposium, 2008, s. 187÷194: 13 rys., 1 tab. - Bibliogr. 4 978-83-7457-055-8. rury kwarcowe piec dwustrefowy piec jednostrefowy I - Dyfuzja w układzie zamkniętym II - Dyfuzja w układzie otwartym b) c) Gazowe źródło domieszki N2 O2 H2 N2 O2(H2) kwarcowa kase-ta z płytkami Si a) a piec dwustrefowy b c W kolejnym etapie usuwa się złącze z krawędzi płytek poprzez ułożenie ich w stosie w sp cjalnym do tego celu ścisku teflonowym i poddaje procesowi trawienia chemicznego w ro tworze HF: HNO3: H2O. Następnie usuwa się powstałe w procesie dyfuzji szkliwo fosforowe w wodnym roztworze kwasu HF i tworzy się tzw. maski, służące do otrzymywania określonych kształtów materiału półprzewodnikowego w postaci SiO stwy krzemu. Na tak utlenioną powierzchnię krzemu nanoszona jest warstwa antyrefleksyjna i pasywującą (TiOx), metodą chemiczną ze z jako gazu nośnego. Następnie na przednią i tylną nanosi się kontakty metaliczne browej, zaś do kontaktu tylnej części płytki w temperaturze 150 [oC] i wypalane w promiennikowym pi Rys. Taśmowy p Omowy kontakt przedni uzyskuje się poprzez przepalenie pasty przez warstwę SiO wyniku równoczesnego wypalenia pasty Al powstaje tylny kontakt o obszarze, którego występuje pole elektryczne tzw. BSF ( Na rys. 2. 17 przedstawiono w sposób schematyczny przekrój taicznego, na którym zaznaczono Rys. Schemat typowego komercyjnego 1. metalizacja tylna; 2. warstwa typu p+; 3. baza- warstwa typu p (krzemowe po łoże bazowe); 4. emiter- warstwa typu n+ 5. warstwa antyrefleksyjna i 6. metalizacja przednia. Strona 22 z 183 suwa się złącze z krawędzi płytek poprzez ułożenie ich w stosie w sp cjalnym do tego celu ścisku teflonowym i poddaje procesowi trawienia chemicznego w ro O. Następnie usuwa się powstałe w procesie dyfuzji szkliwo fosforowe w wodnym roztworze kwasu HF i tworzy się tzw. maski, służące do otrzymywania określonych kształtów materiału półprzewodnikowego w postaci SiO2 oraz Si3N4 poprzez utlenianie wa Na tak utlenioną powierzchnię krzemu nanoszona jest warstwa antyrefleksyjna i pasywującą metodą chemiczną ze związku czteroetyloortotytanianu- (C2H5O)4 . Następnie na przednią i tylną części płytki za pomocą techniki sitodruku nosi się kontakty metaliczne. Do wytworzenia kontaktu przedniego używa się pasty sr o kontaktu tylnej części płytki– pasty aluminiowej. Pasty są suszone w suszarce i wypalane w promiennikowym piecu taśmowym . Taśmowy piec IR do wypalania metalizacji- LA-310 (RTC) [ Omowy kontakt przedni uzyskuje się poprzez przepalenie pasty przez warstwę SiO wyniku równoczesnego wypalenia pasty Al powstaje tylny kontakt omowy i złącze obszarze, którego występuje pole elektryczne tzw. BSF (ang. Back Surface Field w sposób schematyczny przekrój krzemowego taicznego, na którym zaznaczono wszystkie jego elementy: typowego komercyjnego krzemowego ogniwa fotowoltaicznego (opracowanie własne) warstwa typu p (krzemowe pod-+; warstwa antyrefleksyjna i pasywująca; suwa się złącze z krawędzi płytek poprzez ułożenie ich w stosie w spe-cjalnym do tego celu ścisku teflonowym i poddaje procesowi trawienia chemicznego w roz-O. Następnie usuwa się powstałe w procesie dyfuzji szkliwo fosforowe w wodnym roztworze kwasu HF i tworzy się tzw. maski, służące do otrzymywania określonych poprzez utlenianie war-Na tak utlenioną powierzchnię krzemu nanoszona jest warstwa antyrefleksyjna i pasywującą 4Ti z użyciem azotu ocą techniki sitodruku . Do wytworzenia kontaktu przedniego używa się pasty sre-pasty aluminiowej. Pasty są suszone w suszarce ecu taśmowym (rys. 2. 16). [23] Omowy kontakt przedni uzyskuje się poprzez przepalenie pasty przez warstwę SiO2/TiOx. W mowy i złącze p-p+, w Back Surface Field). krzemowego ogniwa fotowol-fotowoltaicznego Strona 23 z 183

płytki krzemowe do ogniw słonecznych