dr inż. Paweł Zabierowski
1. Opis wykładu
Słoneczna energia fotowoltaiczna, uważana za jedno z najbardziej obiecujących i przyjaznych środowisku źródeł energii, jest wyjątkowa pośród nowych jej źródeł ze względu na szerokie możliwości osiągnięcia korzyści energetycznych i poza energetycznych. Z uwagi na swój olbrzymi potencjał związany z bezpośredniością konwersji promieniowania słonecznego na energię elektryczną ma ona szansę na stanie się w przyszłości poważną alternatywą dla paliw kopalnych.
Dzięki temu jest ona skutecznym sposobem zapewnienia dostaw „czystej” energii w krajach uprzemysłowionych i dostarczania energii elektrycznej krajom rozwijającym się bez obawy o bezpieczeństwo dostaw i zanieczyszczenie środowiska.
W wykładzie przedstawiono fizyczne podstawy działania ogniw słonecznych.
Omówiono zalety technologii fotowoltaicznych w odniesieniu do innych źródeł energii:
praktycznie nieograniczone zasoby, ochrona środowiska i wpływ na człowieka w trakcie użytkowania, niezawodność oraz modularność
W pierwszej części wykładu została opisana droga, jaką przebyli fizycy w ostatnim stuleciu, próbując zrozumieć i opisać w języku matematyki własności materii. Jest to droga od atomu do struktury energetycznej kryształów. Wykład rozpoczyna się od przypomnienia budowy atomu, pojęcia poziomów energetycznych i wiązań między atomami. Wyjaśniono powstawanie pasm energetycznych z dyskretnych poziomów elektronowych oraz powiązanie struktury pasmowej z właściwościami optycznymi i elektrycznymi kryształów. Na tej podstawie wytłumaczona została różnica między metalami, półprzewodnikami i izolatorami oraz mechanizmy przewodzenia prądu. Następnie przedstawiono niezwykłe właściwości półprzewodników i omówiono przyczyny, dla których to właśnie te materiały stanowią podstawę większości urządzeń elektronicznych. W dalszej części wykładu omówione zostały zastosowania materiałów półprzewodnikowych w fotowoltaice. Pokazano, że zrozumienie mechanizmu wzbudzania par elektron-dziura przez strumień fotonów z uwzględnieniem zasady zachowania pędu pozwala odpowiedzieć na pytanie, dlaczego niektóre materiały pochłaniają światło lepiej niż inne, a w szczególności, dlaczego krzem krystaliczny nie jest idealnym materiałem do zastosowań optoelektronicznych.
Druga część wykładu poświęcona została złączom półprzewodnikowym.
Stanowią one serce ogniw słonecznych, bo to dzięki nim zachodzi akcja
fotowoltaiczna. Na początku omówiono mechanizm tworzenia złącza półprzewodnikowego oraz powstawania bariery energetycznej: wyjaśniono skąd bierze się bardzo silne pole elektryczne w obszarze złącza oraz wygięcie pasm energetycznych. Przedstawiono zasadę działania ogniw słonecznych, czyli co się stanie, gdy oświetlimy złącze: absorpcja fotonów i kreacja par elektron dziura, dyfuzja do obszaru złącza, kolekcja nośników w warstwie ładunku przestrzennego.
Omawiając jasną charakterystykę prądowo-napięciową diody wyjaśniono znaczenie parametrów makroskopowych ogniwa słonecznego, określających wydajność konwersji fotowoltaicznej: napięcia obwodu otwartego (Voc), natężenia prądu zwarcia (Jsc), współczynnika wypełnienia (FF) oraz punktu mocy maksymalnej. Omówiono czynniki ograniczające sprawność ogniw i granicę termodynamiczną konwersji fotowoltaicznej. Na koniec przedstawiono rodzaje ogniw słonecznych: ogniwa z krzemu krystalicznego, ogniwa cienkowarstwowe, ogniwa tandemowe. Na koniec zwrócono uwagę na zalety ogniw cienkowarstwowych i tandemowych w porównaniu do klasycznych ogniw z krzemu krystalicznego.
Słownik kluczowych pojęć
Fotowoltaika – dziedzina nauki i techniki zajmująca się przetwarzaniem energii promieniowania elektromagnetycznego wytwarzanego przez Słońce na energię elektryczną
Ogniwo słoneczne (NIE bateria) – dioda półprzewodnikowa o dużej powierzchni, w której zachodzi zamiana energii promieniowania elektromagnetycznego na energię elektryczną
Półprzewodnik – substancje, których przewodnictwo może być zmieniane w szerokim zakresie (~ 10 rzędów wielkości) pod wpływem np. domieszkowania, oświetlenia.
Przerwa energetyczna półprzewodnika – obszar energii elektronów w półprzewodnikach i izolatorach położony między pasmem walencyjnym i pasmem przewodnictwa.
Warstwa zubożona – obszar w złączu półprzewodnikowym, w którym występuje nieskompensowany ładunek pochodzący od domieszek, Ładunek ten jest źródłem występowania pola elektrycznego.
Wydajność ogniwa słonecznego – stosunek maksymalnej mocy możliwej do uzyskania w obwodzie zewnętrznym ogniwa do mocy promieniowania e-m padającego na powierzchnię ogniwa.
Wydajność ogniwa można określić m.in. znając makroskopowe parametry ogniwa: napięcie obwodu otwartego (Voc), natężenie prądu zwarcia (Jsc), współczynnik wypełnienia (FF),
napięcie obwodu otwartego (Voc) – wartość napięcia elektrycznego między rozwartymi stykami oświetlonego ogniwa słonecznego
natężenie prądu zwarcia (Ic) – natężenie prądu płynącego przez oświetlone ogniwo zwarte zerowym oporem
punkt mocy maksymalnej Pmax – punkt w czwartej ćwiartce charakterystyki prądowo-napięciowej oświetlonego ogniwa, dla którego iloczyn I • V przyjmuje wartość maksymalną.
współczynnik wypełnienia (FF) – stosunek Pmax / (Isc• Voc)
Ogniwa cienkowarstwowe – ogniwa słoneczne, w których warstwa absorbera ma grubość rzędu pojedynczych mikrometrów. Np. ogniwa z CdTe lub Cu(In,Ga)Se2.
2. Opis ujęcia holistycznego
Treść wykładu jest tak przedstawiona aby pokazać jak fotowoltaika powiązania jest z chemią, elektroniką oraz matematyką. Zwrócono uwagę na podstawowe dla chemii pojęcie poziomów energetycznych elektronów w atomach, wiązań między atomami i ich związku ze strukturą pasmową kryształów i budową ogniw słonecznych. Przedstawiony sposób opisu kryształów ma ogromne znaczenie praktycznie w całej elektronice, jest podstawą do zrozumienia działania laserów półprzewodnikowych, elementów LED (diody elektroluminescencyjne), tranzystorów, pamięci, kamer CCD (zastosowanie w aparatach cyfrowych), czujników półprzewodnikowych, kamer podczerwieni itd. Podkreślono fakt, że projektowanie urządzeń elektronicznych możliwe jest tylko dzięki zastosowaniu matematyki.
W wykładzie zwrócono także uwagę na zastosowania matematyki na poziomie szkoły średniej: ekstremów funkcji jednej zmiennej (optymalizacja sprawności konwersji fotowoltaicznej ze względu na wartość przerwy energetycznej), funkcji wykładniczej (charakterystyka prądowo-napięciowa diody) oraz funkcji trygonometrycznych (opis fal elektromagnetycznych).
3. Przykłady zastosowań w życiu codziennym zagadnień
Elektrownie słoneczne, dachy i fasady budynków, zasilanie urządzeń przenośnych (np. ładowarki akumulatorów telefonów komórkowych, laptopów), zasilanie stacji kosmicznych.
Literatura
1. Z.M. Jarzębski, Energia Słoneczna. Konwersja Fotowoltaiczna, PWN, Warszawa 1990
2. E. Klugmann, E. Klugmann-Radziemska, Alternatywne źródła energii, energetyka fotowoltaiczna, wyd. Białystok: Wydaw. Ekonomia i Środowisko, 1999
3. www.fotowoltaika.net