Francuski fizičar Alexandre Edmond Becquerel napravio je senzacionalno otkriće već 1839. godine: Kad svjetlost (fotografija) padne na određene tvari, stvara se napetost (voltaična). Ali kako to funkcionira s fotovoltaikom? Objašnjavamo kako rade.
Nakon otkrića, trebalo je 120 godina da fotonaponski sustavi posluže kao izvor energije za prve satelite i svemirske letjelice. U međuvremenu je solarna ćelija postala popularni dobavljač električne energije za uštedu energije
Od toga se sastoji solarna ćelija
Samo određeni materijali mogu pretvoriti svjetlost u električnu energiju, jedan od njih je silicij. Više od 90 posto svih solarnih ćelija izrađeno je od silicija. Njegova prednost: Sirovinski kvarcni pijesak dostupan je u dovoljnim količinama na zemlji, a silicij je ekološki prihvatljiv.
Svjetlost olabavlja elektrone u graničnom sloju (zeleni), koji kroz žarulju struje natrag oko vanjske strane.
Kristalna solarna ćelija obično se sastoji od dva sloja silicija - zajedno debelih dvije do tri desetine milimetra.
Na sunčanoj strani silicij je namjerno protkan atomima fosfora. Pojednostavljeno rečeno, atomi fosfora imaju jedan negativni elektron previše (tj. Negativan). Atomi bora sjede s druge strane stanice - imaju jedan elektron premalo (tj. Pozitivan). Negativni i pozitivni slojevi dodiruju se.
Električna energija teče iz solarne ćelije preko regulatora punjenja i pretvarača u bateriju ili električnu mrežu.
Svjetlošću do strujanja električne energije
Kad svjetlost pogodi ćeliju, elektroni se pokreću. Jednom kad krenu, preskaču granicu s negativnog na pozitivni sloj, gdje nedostaje elektrona - drugi se kreću prema gore. Elektroni migriraju natrag u svoj stari sloj na donjoj strani stanice pomoću metalne rešetke (kontaktni prst), kabela i nosača (kontakt). Kad je krug zatvoren, teče električna struja. Što više zraka svjetlosti pogađa elektrone, to se više proizvodi električne energije. Ako zračenje ostane isto, dobitak snage ovisi isključivo o površini. Što je površina veća, amperaža je veća. Ako sunce sja jače, solarna ćelija proizvodi više električne energije. To je istosmjerna struja jer se također pohranjuje u baterijama. Međutim, solarne ćelije ne mogu skladištiti električnu energijuoni ga isporučuju.
Solarni modul
Solarne ćelije ne mogu raditi na otvorenom bez zaštite. Moraju biti ispod poklopca: modula.
Nekoliko solarnih ćelija povezano je zajedno kako bi tvorilo jedinicu u modulu. Kristalne stanice nanizane su i povezane jedna s drugom. Pramenovi su spakirani u plastičnu foliju i smješteni između dvije staklene ploče. Tehnologija tankog filma stvara veliku stanicu kada se staklena ploča isparava. Laser ih reže na trake koje su međusobno povezane.
Jedinica napajanja, koja se naziva i pretvarač, pretvara istosmjernu struju koju generiraju moduli u izmjeničnu struju (230 V izmjenični napon). Sva proizvedena električna energija napaja se u javnu mrežu. To se plaća u skladu sa "Zakonom o obnovljivim izvorima energije" (EEG).
Dvije vrste: kristalne i amorfne solarne ćelije
Postoje dvije vrste solarnih ćelija: kristalna i amorfna. Kristalne stanice čine oko 80 posto globalne proizvodnje.
Monokristalne solarne ćelije: Početni materijal je skupi ultra čisti silicij, koji se izvlači iz silicijske taline u dugotrajnom i skupom postupku, preša u šipke i izreže na kriške promjera do 12 centimetara. U monokristalu su svi atomi poravnati na isti način. Plave do crne, na zahtjev i stanice različite boje, iskorištavaju sunčeve zrake u laboratoriju i do 24 posto; u praksi, međutim, samo do 16 posto.
Multikristalne solarne ćelije: Industrijski proizvedeni polisilicij jeftiniji je od proizvodnje monokristala. Učinkovitost plavičastih stanica u praksi je 11 do 14 posto.
Kristalne stanice teško gube svoju učinkovitost ni tijekom desetljeća.
Amorfne solarne ćelije
Jeftinije amorfne stanice prikladne su za vodene značajke u vrtu ili vage za kućanstvo u kući, kao i na velikim fasadama. Ako je prostor za veliki fotonaponski sustav ograničen, kristalne stanice djeluju učinkovitije.
Tako se grade amorfne stanice: Sloj koji stvara električnu energiju isparava se na staklenoj ploči. Atomi se više ne pohranjuju u kristalnoj strukturi, već na nesređen (amorfan) način. Ovaj postupak zahtijeva relativno malo silicija, što snižava cijenu. U usporedbi s kristalnim stanicama debljine 0,2 do 0,3 milimetara, stanice tankog filma mjere samo 0,01 do 0,05 milimetara. Stanice su smeđe ili antracitne i imaju učinkovitost od šest do sedam posto. U tmurnim danima amorfne stanice isporučuju više električne energije od drugih.
Učinkovitost amorfnih stanica s godinama opada: nakon 20 godina iznosi oko 70 posto početne proizvodnje.
Suvremeni solarni moduli također se mogu diskretno instalirati na krov terase ili nadstrešnicu za automobil.
nove tehnologije
Dvije novije stanice tankog filma rade bez silicija: materijal izrađen od bakrenog indij-dilelenida (CID) i od kadmij-telurida (CdTe). Nove se stanice trenutno koriste u pilot postrojenjima. Tehnologija budućnosti novi je tankoslojni postupak u kojem se na materijal nosača nanosi kristalni silicijski sloj. Ovo kombinira visoku učinkovitost kristalnih stanica s malom potrošnjom materijala tankoslojnih stanica.
Postoje li ograničenja u izvedbi?
Kao što je gore objašnjeno, monokristalni moduli postižu najvišu razinu učinkovitosti, a slijede ih polikristalni solarni moduli. Međutim, prednosti monokristalnih modula nadoknađuju se visokim trošenjem energije i troškovima uzgoja kristala silicija. Noviji razvoj ovdje bi mogao imati velik potencijal: kvazino-monokristalni moduli. To su polikristalni moduli koji, zahvaljujući posebnom sustavu upravljanja, imaju slična svojstva kao i monokristalni moduli tijekom rasta kristala.
Učinkovitost tvari ne može se dalje razvijati po volji i ima prirodne granice - jer materijal može obrađivati samo određene valne duljine svjetlosti. S monokristalnim silicijskim modulima, najveći je mogući stupanj učinkovitosti oko 29 do 33 posto - u teoriji.
Je li ovo stiglo do kraja bandere? Ne, jer nove tehnologije također stvaraju nove mogućnosti. Takozvane tandemske solarne ćelije, na primjer, mogu povećati učinkovitost koristeći jednostavan princip: ako različite materijale za različite dijelove svjetlosnog spektra slažete jedan na drugi, učinkovitost se također povećava. Na ovaj je način već postignuto više od 40 posto; više od 80 posto moguće je za budućnost.
Prirodna učinkovitost se također dodatno usavršava. Japanski su znanstvenici početkom 2017. najavili novi rekord učinkovitosti silicijskih solarnih ćelija od 26,3 posto. To nije daleko od ograničenja specifičnog za materijal. Međutim, ovdje vrijedi sljedeće: Viši stupanj učinkovitosti pojeftinjuje solarnu energiju samo ako troškovi proizvodnje ne rastu u istoj mjeri.
