Inna część typowej komórk solarnej jest pomieszana z borem, który ma jedynie trzy elektrony na swoim zewnętrznym szkielecie (zamiast czterech). Zamiast zatem tworzenia wolnych elektronów, bor pozostawia wolną przestrzeń i posiada odwrotny (dodatni) ładunek. Taki rodzaj komórki zwie się P-type (z angielskiego „Positive type”, czyli komórka o ładunku dodatnim).
Na następnej stronie przyjrzymy się temu, co dzieje się, gdy te dwie substancje zaczynają wchodzić w interakcję.
Anatomia komórki solarnej
Przed momentem nasze dwie odrębne części krzemu były neutralne elektrycznie; interesująca rzecz dzieje się wtedy, gdy łączymy je ze sobą. Wszystko za sprawą tego, że bez pola elektrycznego komórka po prostu nie będzie działać: pole formuje się wtedy, gdy krzemy typu N i P (patrz: strona wcześniej) mają ze sobą kontakt. Nagle wolne elektrony ze strony krzemu N zauważają wolną przestrzeń w krzemie po stronie P i zaczynają w pośpiechu do nich zmierzać, by je wypełnić. Czy wszystkim elektronom się to uda? Nie. Gdyby tak się stało, cały proces nie byłby użyteczny. W trakcie przemierzania granicy między stroną N a P, na skrzyżowaniu, elektrony mieszają się ze sobą i tworzą coś na kształt bariery, która utrudnia przenikanie elektronów ze strony N na stronę P. W końcu osiągnięta zostaje równowaga, a obie strony zaczyna dzielić pole elektryczne.
Pole elektryczne zachowuje się jak dioda, pozwalając (a nawet zmuszając) elektronom na przepływ ze strony P do strony N, ale nie na odwrót. Wygląda to jak góra – elektrony z łatwością mogą się udać z góry na dół (na stronę N), ale nie są w stanie się na nią wspiąć (na stronę P).
Gdy światło (W formie fotonów) uderza w naszą komórkę solarną, jego energia rozpada się na pary elektronów z przestrzenią. Każdy foton z wystarczającą ilością energii zazwyczaj uwolni dokładnie jeden elektron, tworząc kolejną wolną przestrzeń. Gdy dzieje się to wystarczająco blisko pola elektrycznego lub gdy wolny elektron i wolna przestrzeń znajdą się w tym samym zasięgu działania, pole wyśle elektron na stronę N, a wolną przestrzeń na stronę P. Wywoła to swoiste zakłócenie neutralnośći elektrycznej – gdy tylko dostarczymy zewnętrzną drogę ujścia prądu, elektrony wybiorą joą, by połączyć się z wolnymi przestrzeniami po drugiej stronie, w międzyczasie dostarczając nam to, czego my potrzebujemy. Przepływ elektronów zapewnia prąd, a pole elektryczne komórki wywołuje jego napięcie. Łącząc te dwa elementy otrzymujemy moc.
Istnieje jeszcze kilka składników, które musimy mieć przed użyciem naszej komórki. krzem jest bardzo lśniącym materiałem, co sprawia, że fotony mogą „odskakiwać”, zanim wykonają swoją pracę. Zazwyczaj zatem używa się powłoki antyrefleksyjnej, by zredukować te straty. Ostatnim krokiem jest instalacja czegoś, co będzie chronić komórkę przed żywiołami (wodą, ogniem) – często szklanej osłony. Moduły fotowaliczne są zazwyczaj tworzone przez łączenie kilku pojedynczych komórek, by osiągnąćużyteczne poziomy napięcia i prądu, a zatem i mocy, a następnie łączone w porządną ramę.
Jak dużo energii słonecznej wchłania komórka fotowaliczna? Niestety, najprawdopodobniej niedużo. Przykładowo w 2006 roku większość paneli solarnych osiągnęła jedynie poziom efektywności równy 12 – 18 %. Najbardziej imponującą efektywnością wykazał się jeden z paneli, kóry osiągnął jej aż 40%. Dlaczego obecnie wyciągnięcie jak najwięcej ze słonecznego dnia sprawia tak wielki problem?
Strata energii w komórce solarnej
Widoczne światło jest jedynie częśćią widma. Promieniowanie elektromagnetyczne nie jest monochromatyczne – stworzone jest z wielu różnych fali, a zatem także z wielu poziomów energii.
Światło może być podzielone na różne fale, które jesteśmy w stanie zobaczyć w formie tęczy. Jako że światło, które uderza w naszą komórkę posiada protony z szerokiej gamy energii, okazuje się, że część z nich nie będzie miała wystarczająco energii, by zmienić parę elektron-przestrzeń. Ta część po prostu przejdzie przez komórkę tak, jakby była ona przeźroczysta. Mimo wszystko inne fotony mają zbyt dużo energii. Jedynie określona ilość energii, mierzona w woltach elektronowych (eV) i zdefiniowana przez materiał, z którego wykonana jest komórka (około 1,1 eV krystalicznego krzemu) jest potrzebna, by „uwolnić” elektron. Nazywamy to przerwą energetyczną materiału. Jeżeli foton posiada więcej energii, niż jest to potrzebne, dodatkowa energia jest stracona (przynajmniej wtedy, gdy foton nie posiada dwa razy więcej energii – wtedy bowiem stworzy dwie pary elektron-przestrzeń, ale efekt nie będzie tak zauważalny). Te dwa efekty mogą być przyczyną strat nawet 70% energii.
Czemu nie jesteśmy w stanie wybrać materiału z barzo małą przerwą energetyczną, byśmy mogli używać większą ilość fotonów? Niestety, przerwa energetyczna określa również siłę (napięcie) naszego pola elektrycznego – jeżeli jest zbyt małe, wtedy to, co zdobędziemy w dodatkowym prądzie z większej ilości fotonów, stracimy przez zbyt małe napięcie. Pamiętajmy, że moc wynika z napięcia mnożonego przez prąd. Optymalna przerwa energetyczna balansująca niejako stratę z dwóch wspomnianych przyczyn wynosi około 1,4 eV na komórkę stworzoną z jednego materiału.
To wszystko to nie jedyne straty, jakie posiadamy. Nasze elektrony muszą przepływać z jednej strony komórki do drugiej położonym wewnątrz torem. Możemy pokryć dolną część komórki metalem, pozwalając na dobre kierowanie tym przepływem – jeżeli jednak całkowicie przykryjemy górną część, stracimy cały prąd (w niektórych komórkach używa się przeźroczystych kierowników na górnej powierzchni). Jeżeli położymy nasze kontakty jedynie po przeciwnych stronach naszej komórki, wtedy eolektrony będą musiały przebyć niesamowicie długą drogę przed dotarciem do nich. Pamiętajmy, że krzem jest półprzewodnikiem – nie jest zatem tak dobry, jak metal do przewodzenia prądu. Jego wewnętrzny opór jest dość duży, a duży opór oznacza wysokie straty. By je zminimalizować, komórki są zazwyczaj pokryte metalową siatką, która skraca dystans, jaki muszą przebyć elektrony, pokrywając jedynie część powierzchni komórki. Nawet wtedy niektóre fotony są blokowane przez siatkę.
Teraz, gdy już wiemy, jak komórka solarna działa, zobaczmy, co trzeba zrobić by zasilić za jej pomocą dom.
wiedza tak specyficzna, że mało kto wie jak to skomentować 😉 tak się tylko domyślam 😉
fajnie przystępnie napisane
Artykuł z duchem czasu i z tendencjami, jakie są aktualnie. Z tego co wiem jest przygotowywana ustawa o fotowalice, która umożliwi sprzedawanie wytworzonej w ten sposób energii.