Ogniwa krzemowe (I generacji)
Obserwując na targach panele fotowoltaiczne, z pewnością zauważyliśmy różne kolory i kształty pojedynczych ogniw. Jest to związane z ich budową i procesem produkcyjnym.
- Ogniwa monokrystaliczne – tworzone są z jednego kryształu krzemu o uporządkowanej strukturze wewnętrznej, osiągają najwyższą sprawność (do 22%) i największą żywotność, ale są kosztowne. Mają obecnie największy udział w rynku. Wytwarzanie ogniw monokrystalicznych wymaga wyprodukowania pojedynczych kryształów krzemu. W praktyce stosowany jest najczęściej proces Czochralskiego polegający na wyciąganiu pojedynczego kryształu krzemu z roztopionej masy polikryształów. Zarodkiem wokół którego narasta stopniowo kryształ krzemu wykonany jest z krzemowego pręta. Tygiel w którym znajduje się hodowany kryształ może być dodatkowo wprowadzony w ruch obrotowy aby polepszyć rozkład temperatur. W rezultacie otrzymuje się cylindryczny monokryształ o orientacji krystalograficznej zarodka. Wymiary i kształt hodowanego kryształu (średnica oraz długość) kontrolowane są poprzez prędkość przesuwu i prędkość obrotową zarodka, ograniczone są jednak poprzez parametry układu zastosowanego do hodowli.
Rys. Pojedyncze ogniwo monokrystaliczne i fragment panelu
- Ogniwa polikrystaliczne – produkowane są z oszlifowanych płytek krzemowych ułożonych nieregularnie względem ich struktury krystalicznej. Koszt produkcji ich jest znacznie mniejszy i mniej energochłonny, dzięki czemu są tańsze od monokrystalicznych jednak posiadają mniejszą sprawność. Posiadają niebieski kolor oraz mają wyraźnie zarysowane kryształy krzemu przypominające szron. Ze względu na niską cenę obecnie są najczęściej stosowanymi fotoogniwami na rynku. Produkcja polikryształów zachodzi w specjalnych formach, gdzie kryształy krzemu są najpierw topione, a następnie po wystudzeniu cięte na płytki. Sprawność modułów polikrystalicznych wynosi 15-18% .
Fot. Pojedyncze ogniwo polikrystaliczne i fragment panelu
Ogniwa II generacji
Są także zbudowane w oparciu o złącze P-N jednak nie z krzemu krystalicznego lecz np. z tellurku kadmu (CdTe), mieszaniny miedzi, indu, galu, selenu (CIGS) czy krzemu amorficznego. Ich cechą charakterystyczną jest bardzo mała grubość warstwy półprzewodnika absorbującej światło, która zazwyczaj waha się od 1-3 mikrometrów, stąd inna nazwa ogniwa cienkowarstwowe. Z uwagi na dużą redukcję zużycia półprzewodników są znacznie tańsze w produkcji, a cały proces bardziej zautomatyzowany.
- Ogniwa amorficzne – wykonane są z amorficznego, bezpostaciowego niewykrystalizowanego krzemu. Charakteryzują się niską sprawnością w przedziale 6-10% oraz niską ceną. Zazwyczaj posiadają charakterystyczny lekko bordowy kolor i brak widocznych kryształów krzemu. Są powszechnie stosowane w kalkulatorach. Grubość warstwy krzemu naniesionej na taflę szklaną wynosi tutaj do 2 mikronów. Sprawność powyższych ogniw wynosi odpowiednio:
– moduły CdTe – 12-14%
– moduły CIGS – 13-16%
– moduły z krzemu amorficznego A-Si – 6-8%
Rys. Budowa ogniwa CIGS
Ogniwa cienkowarstwowe o rekordowej wydajności 18,7% mają skład CuIn0.8Ga0.2Se2 i przerwę ok. 1,2 eV. Schemat struktury CIGS przedstawiono na rys. obok. Warstwę absorbera otrzymuje się przez termiczne naparowanie z czterech źródeł na pokryte metalem szkło sodowe. Metalizacja ta to tylny kontakt omowy ogniwa, do którego podłączone są przewody odprowadzające prąd i stanowi ją cienka warstwa molibdenu –metalu dającego omowy kontakt z CIGS.
W opinii ekspertów cienkowarstwowe ogniwa produkowane na elastycznym podłożu polimerowym są ciekawą alternatywą w rozwoju fotowoltaiki. Pozwalają na znacznie obniżenie kosztów produkcji gdyż mogą być wytwarzane metodą zbliżą do druku, która jest bardzo wydajna i nie wymaga dużych nakładów energetycznych. Cienkie i lekkie ogniwa to także niższe koszty transportu oraz łatwiejszy montaż całej instalacji na dachu czy konstrukcji wsporczej na gruncie.
Rys. Ogniwo cienkowarstwowe na polimerowym nośniku
Ogniwa III generacji
- Power plastic
Opatentowana przez firmę Konarka. Fotoogniwa power plastic produkowane są ze specjalnego polimerowego atramentu metodą nadruku. Ich wydajność energetyczna jest mała i nie przekracza 6%, podobnie jest z trwałością, szacowaną na 5 lat (krzemowe do 30 lat). Zaletą rozwiązania jest możliwość wykonania dowolnej struktury ogniwa i umieszczenia go na każdej powierzchni o nietypowym kształcie.
- Ogniwa barwnikowe
DSSC (Dye Sensitized Solar Cells) – Ich działanie oparte jest na zasadzie sztucznej fotosyntezy. Osiągają sprawność do 12%. Pozwalają na zastosowanie w elementach transparentnych jak szyby wystawowe, świetliki.
- Back Contact
Ogniwa typu Back Contact i Metal Wrap Through – ogniwa krzemowe wykonane w technologii „tylnej elektrody”. Osiągają sprawność ponad 22%. Poprzez wyprowadzenie elektrody na tył ogniwa oszczędzają powierzchnię aktywną warstwy wierzchniej co dodatkowo podnosi jego wydajność. Są to obecnie najwydajniejsze ogniwa fotowoltaiczne w produkcji komercyjnej na świecie.
Źródło:
– instsani.pl