Ogniwa słoneczne i zjawisko fotowoltaiczne
Technologia produkcji energii elektrycznej z promieniowania słonecznego jest już tak powszechna, że niemalże na każdym kroku można zauważyć panele PV na dachach budynków – zarówno na wsi, jak i w mieście. Rynek sukcesywnie się rozwija, a właścicieli przydomowych elektrowni słonecznych przybywa z roku na rok. Dziwić powinien więc fakt, że sporo osób nie zdaje sobie sprawy, jak niezwykłe i fascynujące jest zjawisko fotowoltaiczne oraz sam mechanizm działania pojedynczych ogniw. Dzisiejszy artykuł ma na celu to zmienić! Czym więc jest zjawisko fotoelektryczne, jak działają ogniwa i skąd bierze się prąd?
Początki fotowoltaiki
Za pierwsze odkrycie, które przyczyniło się do rozwoju tego sektora nauki, można uznać przede wszystkim wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego. Zjawisko to polega na zdolności materii do emisji z jej powierzchni elektronów w wyniku działania na nią promieniowania elektromagnetycznego. Oczywiście do takiego zalicza się światło słoneczne. Samo działanie tego efektu zostało dostrzeżone pod koniec XIX wieku. Już w 1887 roku Heinrich Rudolf Hertz opublikował wyniki badań nad przeskokiem iskry w cewce pod wpływem pojawienia się w jej obrębie fali elektromagnetycznej. W pracy tej umieścił również wnioski wskazujące na osłabienie efektu tego zjawiska, gdy zablokowany zostanie dostęp światła widzialnego – obecnie wiemy, że chodziło o promieniowanie ultrafioletowe. Już wtedy zatem widoczny był związek między światłem a wyzwalaną pod jego działaniem energią!
Gdyby nie Einstein…
Po wielu obserwacjach i badaniach, które w XIX wieku przeprowadzali różni naukowcy, można było na 100% potwierdzić, że promieniowanie elektromagnetyczne (do którego zalicza się również światło słoneczne) powoduje uwalnianie energii z materii. Jednakże dotychczas trudno było to racjonalnie wyjaśnić, ponieważ wtedy opierano się na zasadach fizyki klasycznej. Dopiero słynny Albert Einstein udowodnił, że taki efekt jest możliwy, bazując na założeniu, że światło posiada naturę kwantową. Z tej hipotezy wynika, że efekt fotoelektryczny zależy nie od natężenia światła, lecz jego częstotliwości. Z tego też powodu zjawisko uwalniania energii zachodzi tylko przy określonym typie promieniowania oraz w materiałach, które wykazują takie właściwości.
Zjawisko fotoelektryczne a fotowoltaiczne
W tym momencie warto się zastanowić, czy praca fotowoltaiki polega właśnie na opisanym powyżej mechanizmie. Jak najbardziej, jednakże mianem zjawiska fotowoltaicznego określa się tzw. efekt fotoelektryczny wewnętrzny. Jest on bowiem nieco innym jego rodzajem. Ogniwa fotowoltaiczne charakteryzują się specyficzną budową – wykorzystuje się w nich właśnie unikalne właściwości materiałów kątem emisji elektronów wywołanej promieniowaniem słonecznym.
Prąd ze Słońca
Ogniwa standardowo są zbudowane z płytek krzemowych nie bez powodu. Pierwiastek ten posiada sporo elektronów walencyjnych, czyli krążących na ostatniej powłoce atomowej. Dzięki temu intensywnie emitują one te cząstki pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego i w wyniku powstania pola elektrycznego, wymuszającego ich ruch w konkretnym kierunku.
Aby jednak wyprodukować energię, należy zastosować dwie płytki krzemowe o odmiennej przewodności: typu p oraz typu n. Odpowiednio od siebie oddzielone sprawiają, że elektrony przeskakują między płytkami. Nie można zapomnieć w tym momencie również o kluczowych w procesie produkcji prądu elektrodach – ujemnej, znajdującej się nad warstwą typu n, oraz dodatniej, umieszczonej pod warstwą typu p. Tworzą one swoisty obwód, który jest najmniejszą jednostką wytwarzającą energię elektryczną w panelach PV. Na tym etapie wystarczy tylko wspomnieć, że wyprodukowany prąd jest odbierany przez dalsze elementy instalacji, by na końcu zasilać urządzenia obecne w naszych domach.
Dzięki zastosowaniu właściwych materiałów i stworzeniu z nich odpowiednio reagujących na wyzwalanie przez nie energii układów można więc produkować prąd elektryczny, nie zużywając przy tym zasobów naturalnych. Jest to więc fenomen, który diametralnie odmienia otaczającą nas rzeczywistość. Pomimo że instalacje fotowoltaiczne stają się powszechniejsze i coraz bardziej dostępne, to nadal nie wykorzystano w pełni ich potencjału. Z tego też powodu warto wiedzieć, jak działają oraz bacznie obserwować rozwój rynku PV.