Jak działają panele fotowoltaiczne?

Fotowoltaika – co to jest i jak działa? 

Fotowoltaika to proces polegający na wytwarzaniu prądu elektrycznego z promieniowania słonecznego. 

Prąd w procesie fotowoltaicznym powstaje przez oddzielenie elektronów od atomu półprzewodnika (krzemu), ale jest to proces wymagający dużej ilości energii. Żeby go ułatwić, do krzemu dodaje się inne materiały – fosfor oraz bor. Fosfor zawiera jeden dodatkowy elektron w porównaniu do atomu krzemu, z kolei bor posiada jeden elektron mniej. 

Krzem w ogniwie słonecznym układa się warstwowo tworząc tak zwane złącze p-n. Warstwa krzemu i fosforu to obszar z ładunkiem ujemnym (typ N), ta warstwa znajduje się u góry ogniwa słonecznego i to w nią trafiają promienie słoneczne. Natomiast warstwa krzemu i boru to obszar z ładunkiem dodatnim (typ P), ta warstwa znajduje się pod warstwą z ładunkiem ujemnym. Wiemy już, że atom boru ma jeden elektron mniej, a atom fosforu jeden elektron więcej – połączenie tych dwóch materiałów ze sobą sprawia, że wzbudzone elektrony z krzemu typu N przeskakują do krzemu typu P wypełniając elektronową pustkę wokół atomu boru.

W czasie przemieszczania się elektronów powstaje pole elektryczne, które powstrzymuje elektrony od łatwego przemieszczania się między warstwami krzemu. Wzbudzone elektrony w warstwie typu N chcą przedostać się do warstwy typu P, ale brakuje im energii, żeby przebić się przez pole elektryczne, dlatego szukają innego sposobu. 

Elektrony wybierają najłatwiejszą drogę prowadzącą przez przewodniki elektryczne, które znajdują się na zewnątrz warstw krzemowych – te przemieszczające się elektrony to energia elektryczna.

Efekt fotowoltaiczny został po raz pierwszy zaobserwowany w 1839 roku przez francuskiego fizyka Alexandra-Edmonda Becquerela, który stworzył pierwsze na świecie ogniwo słoneczne.

Jak działają panele fotowoltaiczne?

Każdy panel fotowoltaiczny składa się z wielu ogniw fotowoltaicznych, w których zachodzi zjawisko fotowoltaiczne. 

Proces pozyskiwania prądu z paneli fotowoltaicznych wygląda następująco:

1. Promienie słoneczne (fotony) dostają się do ogniwa słonecznego, gdzie przekazują swoją energię elektronom, które tym samym zostają wprawione w ruch.
2. Wzbudzone elektrony zaczynają przemieszczać się między warstwami krzemu. Przez powstałe pole elektryczne wybierają drogę przez przewodniki na zewnątrz ogniwa.
3. Przemieszczające się przez przewodnik elektrony to prąd elektryczny stały (DC). Prąd ten musi trafić do inwertera (falownika), który zamieni prąd stały na prąd zmienny (AC).
4. Wytworzony prąd następnie trafia do licznika dwukierunkowego. Jego rolą jest pomiar dwukierunkowego przepływu prądu, czyli ile prądu wyprodukowała instalacja pv, a ile prądu pobrano z sieci.
5. Prąd zmienny trafia następnie do naszej instalacji elektrycznej, gdzie możemy z niego korzystać w dowolny sposób.