Fotowoltaika (PV) – energia prosto ze słońca

Problem Fotowoltaiki (ang. Photovoltaics) czyli tzw. „Ogniw Słonecznych” właściwie dobrze omawia np. Wikipedia, jednak jak to jest ze szczegółami? W poprzednim wpisie wyjaśniałem problem złącza P-N, jeśli je rozumiemy,i kojarzymy już, czym jest powłoka elektronowa to pora na informację,iż w istocie pojedynczy foton może sprawić,że dany elektron znajdzie się w stanie wzbudzonym lub nawet zostanie wybity z atomu.Takie wybicie nazywamy „efektem fotoelektrycznym„,za jego wyjaśnienie Albert Einstein dostał nagrodę Nobla (za teorię względności już nie – ot komisja noblowska i kontrowersje naukowe w miniaturze). W praktyce zatem, poprzez naświetlenie złącza P-N, możliwe jest uzyskanie zarówno wolnych elektronów, jak i „dziur elektronowych”.I teraz wystarczy je tylko podłączyć – i voila ! mamy przepływ prądu – oto cała idea fotoogniwa w uproszczeniu. Podstawowe ogniwo,jeśli znamy temat, może wyglądać tak:

Ogniwo

W porządku.Znamy więc podstawy. Sprawa jednak, nie jest tak prosta, w praktyce bowiem wyróżnia się następujące rodzaje ogniw:

  • Selenowe
  • Krzemowe:
    • Monokrystaliczne
    • Polikrystaliczne
    • Cienkowarstwowe (głównie amorficzne)
  • Barwnikowe
  • Polimerowe

Omówię tutaj zwłaszcza problem ogniw krzemowych. Co znaczy podział na monokrystaliczne i polikrystaliczne ?

Zasadniczo, bardzo wiele.Osobom, które nie czytały wcześniejszych wpisów z tego bloga, i nie chcą czytać całych artykułów z Wikipedii lub szukać danych w internecie wyjaśniam,że główną różnicą,  pomiędzy monokryształempolikryształem jest fakt,że polikrystaliczna struktura składa się z wielu niewielkich kryształów posiadających własne orientacje krystalograficzne,a monokryształ to pojedynczy kryształ. Tak,jak w mikroelektronice, oznacza to,że struktura bardziej jednorodna – monokrystaliczna – jest stabilniejszym i wydajniejszym rozwiązaniem.I tak jest w istocie,choć zależeć to może, rzecz jasna, nieco od konstrukcji ogniwa. Oznacza to też,że przynajmniej w wypadku ogniw krzemowych, technologia i reżim technologiczny są całkiem podobne,jak w wypadku mikroprocesorów.Zwłaszcza jeśli chodzi o otrzymanie monokryształu, w produkcji konieczne jest stosowanie technologii cleanroom,wraz z całą konieczną sterylnością.

Jeśli chodzi o rozwiązania cienkowarstwowe, są one stosunkowo nowszym wyjściem.Mogą one być lżejsze i nieco wydajniejsze – jest to jednak raczej znów generalizacja. W zasadzie bowiem, postęp w tej dziedzinie jest tak duży,że trudno dokonać jednoznacznej kategoryzacji osobie która nie jest specjalistą,zwłaszcza,ze nowsze rozwiązania,np. oparte o związki, takie jak Telurek Kadmu (CdTe),ogniwa barwnikowe,polimerowe itd. mocno komplikują sprawę. Postęp w tej dziedzinie jest bardzo dynamiczny,co można zilustrować następującym obrazkiem:

Przyrost efektywności

Jak widać istnieją dziś ogniwa o sprawności rzędu ponad 40%. W dodatku komercyjnie dostępne ogniwa mogą mieć sprawność rzędu 20%. Realnie, nawet starsze ogniwa, powinny mieć sprawność rzędu choć 8%. Czy jednak jest sens instalowania takich ogniw np. w Polsce ? Jak widać na poniższym obrazku Słońce nie jest wyjątkowo efektywnym źródłem energii jeśli chodzi np. o Europę:

 

W praktyce jednak,sytuacja u nas nie jest gorsza,niż np. w Niemczech.Oczywiście należy pamiętać,że również w dni pochmurne pewna ilość energii zostanie uzyskana. Pomimo tego,że ogniwa nie muszą być bardzo wydajne nie jest też tak,że są one „ekologiczną niewydajną fanaberią” jak niektórzy utrzymują.Owszem,okres zwrotu w wypadku starszych ogniw wciąż jest duży, a ich wydajność w miarę czasu (jak w wypadku innych źródeł zasilania) spada,lecz czy do tego stopnia jak mówią miejskie legendy i utrzymują sceptycy ? Wydajność systematycznie wzrasta,choć oczywiście podnoszące wydajność układy układy np. śledzące pozycje słońca i dostosowujące do tego nastawienie ogniw są droższe.

Prawdziwe problemy są jednak zupełnie inne np.:

  • Niektóre słabsze,tanie ogniwa są zapewne np. niedostatecznie przetestowane lub dość niefrasobliwie przygotowane. W przeciwieństwie do przemysłu mikroprocesorowego, kontrola jakości w wypadku ogniw PV nie jest tak drastyczna,przejściem testów jest spełnienie określonych wymagań dotyczących uzyskanej mocy i nic innego – a pamiętajmy „Polak lubi tanio”,nawet jeśli „tanie” w istocie jest bardzo drogie,a ta „oszczędność” to czysta głupota polegająca na „zaoszczędzeniu” kilku procent kwoty.W praktyce, może się okazać zatem,że realnie, ogniwo od niepewnego producenta nie spełnia nawet podanych specyfikacji albo wręcz nie działa.
  • Nie jest to stabilne źródło zasilania,zależy od rytmu dnia i nocy,pory roku itd. (ogniwa monokrystaliczne mogą tu być nieco lepsze od porównywalnych ogniw amorficznych ze względu na barierę potencjału)
  • Prawdziwym wąskim gardłem są często akumulatory, w których magazynowana jest energia (jeśli system nie jest podłączony bezpośrednio do sieci)
  • podłączenie do sieci domowej przy równoczesnym korzystaniu z klasycznego systemu energetyki może być zarówno korzystne jak i niekorzystne (obecne prawo jest raczej takie,że właściwie to trzeba sprzedawać ten prąd elektrowni i odkupywać – co prawda w ramach nowej ustawy o OZE mówi się o „preferencyjnych cenach” itd,ale…)
  • Pozycja słońca i ustawienie ogniw względem niej ma decydujące znaczenie – brak systemu śledzącego pozycję słońca czy umieszczenie ogniw na „niewłaściwym dachu” może znacznie wpłynąć na osiągane wyniki.

Osobiście uważam,że choć branża ogniw PV ma niesamowitą przyszłość,to inwestowanie w obecne,mniej wydajne ogniwa, dla użytku domowego wydaje się nieco przedwczesne. Co prawda Polska jest zmuszona do zwiększenia udziału energii odnawialnej przez Unię Europejską,jednak jeśli nie korzysta się z dotacji w praktyce,bardziej uzasadnione wydaje się póki co raczej zainwestowanie w kolektor słoneczny.

Złącze P-N po ludzku

Pomimo obecności artykułu na Wikipedii, właściwie,dzięki gąszczom równań i nie tylko, zwykłym ludziom może być trudno pojąć sedno rozwiązań, będących podstawą współczesnej elektroniki. Więc czym jest złącze P-N , wszechobecne w elektronice, ogniwach PV itd; jak zrozumieć „na chłopski rozum” skomplikowane zjawiska,których wyjaśnienie i wykorzystanie pozwoliło później wytworzyć jeszcze bardziej złożone tranzystory bipolarne ? Jak prosty człowiek,nie będący fizykiem czy elektrykiem/elektronikiem ma to zrozumieć ? Jak ono działa ?

W definicji mowa jest o półprzewodnikach.Tak.To jest znany nam dobrze krzem.

Czysty krzem jednak,bez domieszek jest właściwie izolatorem,a całą strukturę trzeba domieszkować – jeśli czytujesz tego bloga, być może wspomniałem o tym już wcześniej. Po co domieszkować ? Dla obecności elektronu lub dziury*,czyli dwóch podstawowych nośników prądu. Wyjaśnijmy to na przykładach.Istnieje 2 rodzaje domieszkowania:

  • P (ang.Positive) – atomami o wartościowości 3 jak: Bor,Glin,Bar,Ind (B,Al,Ba,In) – głównie borem.
  • N (ang.Negative) – atomami o wartościowości 5 jak: Fosfor,Arsen,Antymon (P,As,Sb) – głównie fosforem

Skoro Krzem ma wartościowość 4, to pierwiastki o wartościowości 3 mają niedobór elektronów (a wiec względny ładunek „pozytywny”,”dziurę” – stąd „positive”) , a te o wartościowości 5 ich nadmiar (a ponieważ elektron ma ładunek ujemny: „negative”).No i dobrze.Ale teraz jeśli kojarzy się zjawisko dyfuzji, czy podstawową wiedzę o elektryczności można zapytać – dlaczego w takim razie, w naturze nie dojdzie do szybkiej dyfuzji czy przepływu elektronów.Cały dowcip jednak w tym,że to zjawisko działa na naszą korzyść tworząc pomiędzy warstwą P i N strefę zubożoną o praktycznie obojętnym,stabilnym ładunku, która w praktyce pełni rolę swego rodzaju bariery. :
strefa zubożona

W naturalnym stanie mamy zatem równowagę.Raczej taką chwiejną,ale równowagę.Wystarczy jednak przyłożyć napięcie, a równowaga ta znika. Napięcie jednak może być oczywiście przyłożone na 2 sposoby:

  • w kierunku przewodzenia, wówczas dodatni (p) biegun napięcia – do obszaru p – wtedy płynie prąd dyfuzyjny
  • w kierunku zaporowym, wówczas dodatni (p) biegun napięcia – do obszaru n – wtedy bariera rośnie.

Widać zatem,dlaczego mówimy o kierunku zaporowym – pomijając możliwe przebicie, złącze jest zatem jednokierunkowe.

Oczywiście to jest teoria elektryczna,w praktyce mamy bariery potencjału itd,ale to już szczegóły, pozwalające zrozumieć szczegóły działania.

*dziura elektronowa (electron hole) choć zachowuje się jak cząstka cząstką oczywiście nie jest;jest wytworem pasmowej teorii przewodnictwa; uproszczeniem,tzw. kwazicząstką a nie np. pozytonem.Gdy byłem młodszy, „dziury” wspomniane w podręczniku sprawiały mi w fizyce dość poważny problem,ponieważ „nie pasowały”. W istocie, jako dziecko nie mogłem pojąć,jak można mówić o poruszającej się pustce,przenoszącej na dodatek jakiś ładunek. Wydawało mi się to nonsensem. Dopiero samodzielne uzupełnianie wiedzy,oraz studiowanie inżynierii materiałowej pozwoliło mi się oswoić z tym pojęciem, i dostrzec pewną analogię (lecz jest to trochę kiepska analogia) do wakancji,poprzez zrozumienie, że to nie „pustka” się może poruszać,ale całe jej otoczenie. Jest prawdziwym problemem,że szkoła uczy nieraz tak wyrywkowo,że niektórzy nie dostrzegają już znaczenia tego, czy jonizacji.Okrojony program nauczania nie jest dobrym programem.