Fotowoltaika – trochę techniki

Fotowoltaika jest pojęciem znacznie pojemniejszym niż bywa to przedstawiane w kontekście komercyjnej energetyki słonecznej. Przede wszystkim mamy do czynienia z dziedziną nauki badającą procesy przemiany energii promieniowania elektromagnetycznego na energię cząstek obdarzonych ładunkiem elektrycznym (np. elektronów lub jonów). Fotowoltaika nieco bardziej potocznie to także dział techniki opracowujący i udoskonalający procesy produkcyjne generatorów fotowoltaicznych. Fotowoltaiką jest nazywany również cały sektor energetyki odnawialnej wykorzystujący promieniowanie słoneczne jako pierwotne źródło energii.

Efekt fotowoltaiczny

Efekt fotowoltaiczny polega na powstaniu w danym ośrodku (materiale) siły elektromotorycznej w wyniku absorpcji promieniowania świetlnego. Innymi słowy oświetlony materiał zostaje wytrącony ze stanu równowagi – ładunki elektryczne (elektrony, jony) przemieszczają się w jego wnętrzu tworząc obszar o wyższym i niższym potencjale elektrycznym. Materiał jednak „chce” powrócić do naturalnego stanu równowagi w procesie odwrotnego przepływu ładunków. Jeśli umożliwi się to poprzez elektryczne połączenie obu obszarów, w powstałym obwodzie popłynie prąd. Jeśli materiał jest oświetlany w sposób ciągły, stan nierównowagi będzie podtrzymywany, a tym samym podtrzymywany będzie przepływ ładunku.

Energia słoneczna a fotowoltaika

Promieniowanie słoneczne stanowi strumień fal emitowanych z powierzchni Słońca we wszystkich kierunkach. Niewielki jego wycinek dociera poprzez atmosferę do powierzchni ziemi. Im dłuższa droga światła w atmosferze tym więcej energii ulega w niej absorpcji lub rozproszeniu. Kiedy Słońce góruje nisko nad horyzontem np. w godzinach porannych i wieczornych, a także w zimie, droga się wydłuża – mniej ciepła i światła dociera do powierzchni ziemi. Ta prosta zależność wyjaśnia jak okresowo zmieniają się zasoby energii, które mogą być wykorzystane w procesie konwersji fotowoltaicznej.

Fotowoltaika i moduły z bliska

Do konwersji energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną dochodzi jedynie w materiałach o odpowiednich właściwościach fizycznych nazywanych absorberami fotowoltaicznymi.  Najczęściej spotykanymi absorberami są kryształy półprzewodnika np. krzemu, ale zdarzają się również rozwiązania z absorberem ciekłym lub żelowym (organicznym i nieorganicznym). Częstym nieporozumieniem jest utożsamianie ogniwa fotowoltaicznego i absorbera. Ogniwo fotowoltaiczne jest już gotowym mikrogeneratorem mogącym zasilać niewielkie odbiorniki (kalkulatory, diody led itp.). Można zatem powiedzieć, że ogniwo jest skończonym urządzeniem, na które składa się absorber , ale również warstwy izolacyjne, warstwy poprawiające własności optyczne, warstwy zapewniające dobry kontakt z przewodnikiem, warstwy przewodzące, a także elektrody. Połączone ze sobą elektrycznie i zabezpieczone przed warunkami zewnętrznymi ogniwa nazywane są modułami fotowoltaicznymi. To właśnie moduły fotowoltaiczne, zwane również panelami fotowoltaicznymi, stanowią urządzenia bazowe, z których budowany jest generator fotowoltaiczny o określonych parametrach elektrycznych.