Francoski fizik Alexandre Edmond Becquerel je že leta 1839 prišel do senzacionalnega odkritja: Ko na določene snovi pade svetloba (fotografija), nastane napetost (voltainska). Kako pa deluje s fotovoltaiko? Pojasnimo, kako delujejo.
Po odkritju je trajalo 120 let, da so fotovoltaike služile kot vir energije za prve satelite in vesoljska plovila. Medtem je sončna celica postala priljubljen dobavitelj električne energije za varčevalce energije
Iz tega je sestavljena sončna celica
Le nekateri materiali lahko pretvorijo svetlobo v elektriko, eden izmed njih je silicij. Več kot 90 odstotkov vseh sončnih celic je narejenih iz silicija. Njegova prednost: surovinski kremenčev pesek je na voljo v zadostnih količinah na zemlji, silicij pa je okolju prijazen.
Svetloba zrahlja elektrone v mejni plasti (zelena), ki se skozi žarnico pretakajo nazaj.
Kristalna sončna celica je običajno sestavljena iz dveh plasti silicija - skupaj debele od dve do tri desetinke milimetra.
Na sončni strani je silicij namerno prepreden z atomi fosforja. Preprosto povedano, fosforjevi atomi imajo en negativni elektron preveč (tj. Negativni). Atomi bora sedijo na drugi strani celice - imajo en elektron premalo (tj. Pozitiven). Negativna in pozitivna plast se dotikata.
Elektrika iz sončne celice teče preko regulatorjev polnjenja in pretvornikov v baterijo ali električno omrežje.
S svetlobo do pretoka električne energije
Ko svetloba zadene celico, se elektroni sprožijo. Ko gredo, skočijo čez mejo z negativne na pozitivno plast, kjer primanjkuje elektronov - drugi se pomaknejo navzgor. Elektroni se preselijo nazaj v svojo staro plast na spodnji strani celice prek kovinske mreže (kontaktni prst), kabla in nosilne plošče (kontakt). Ko je vezje zaprto, teče električni tok. Več kot svetlobnih žarkov prizadene elektrone, več električne energije se proizvaja. Pri stalnem obsevanju je dobiček moči odvisen samo od površine. Večja je površina, večja je jakost toka. Če sonce sije močneje, sončna celica proizvede več električne energije. To je enosmerni tok, saj je shranjen tudi v baterijah. Vendar sončne celice ne morejo shranjevati električne energijedostavijo ga.
Sončni modul
Sončne celice brez zaščite ne morejo delati na prostem. Biti morajo pod pokrovom: modul.
Več sončnih celic je povezanih skupaj, da tvorijo enoto v modulu. Kristalne celice so nanizane in povezane med seboj. Prameni so pakirani v plastično folijo in postavljeni med dve stekleni plošči. Tankoplastna tehnologija pri uparjanju steklene plošče ustvari veliko celico. Laser jih razreže na medsebojno povezane trakove.
Napajalna enota, imenovana tudi pretvornik, pretvori enosmerni tok, ki ga ustvarjajo moduli, v izmenični tok (230 V izmenična napetost). Vsa proizvedena električna energija se dovaja v javno omrežje. To se plača v skladu z "Zakonom o obnovljivih virih energije" (EEG).
Dve vrsti: kristalne in amorfne sončne celice
Obstajata dve vrsti sončnih celic: kristalna in amorfna. Kristalne celice predstavljajo približno 80 odstotkov svetovne proizvodnje.
Monokristalne sončne celice: Izhodni material je drag izredno čist silicij, ki ga v zamudnem in dragem postopku ekstrahiramo iz silicijeve taline, stisnemo v palice in narežemo na rezine s premerom do 12 centimetrov. V monokristalu so vsi atomi poravnani na enak način. Modre do črne, na zahtevo tudi različne barvne celice, izkoriščajo sončne žarke v laboratoriju do 24 odstotkov; v praksi pa le do 16 odstotkov.
Večkristalne sončne celice: Industrijsko proizveden polisilicij je cenejši od proizvodnje monokristalov. V praksi je učinkovitost modrikastih celic od 11 do 14 odstotkov.
Kristalne celice skoraj ne izgubijo učinkovitosti niti desetletja.
Amorfne sončne celice
Cenejše amorfne celice so primerne za vodne elemente na vrtu ali v gospodinjskih tehtnicah v hiši, pa tudi na velikih fasadah. Če je prostor za velik fotonapetostni sistem omejen, kristalne celice delujejo učinkoviteje.
Tako so zgrajene amorfne celice: plast, ki ustvarja elektriko, uparimo na stekleno ploščo. Atomi niso več shranjeni v kristalni strukturi, temveč na neurejen (amorfen) način. Ta postopek zahteva razmeroma malo silicija: to znižuje ceno. V primerjavi z 0,2 do 0,3 milimetra debelimi kristalnimi celicami tankoplastne celice merijo le 0,01 do 0,05 milimetra. Celice so rjave ali antracitne in imajo učinkovitost od šest do sedem odstotkov. V mračnih dneh amorfne celice oddajo več električne energije kot druge.
Učinkovitost amorfnih celic se z leti zmanjšuje: po 20 letih je približno 70 odstotkov začetne proizvodnje.
Sodobne solarne module lahko tudi diskretno namestite na teraso ali nadstrešnico.
nove tehnologije
Dve novejši tankoplastni celici delujeta brez silicija: material iz bakrovega indijevega diselenida (CID) in iz kadmijevega telurida (CdTe). Nove celice se trenutno uporabljajo v pilotnih obratih. Tehnologija prihodnosti je nov postopek tankega filma, pri katerem se na nosilni material nanese kristalinična silicijeva plast. To združuje visoko učinkovitost kristalnih celic in majhno porabo materiala tankoplastnih celic.
Ali obstajajo omejitve glede uspešnosti?
Kot je razloženo zgoraj, monokristalni moduli dosegajo najvišjo stopnjo učinkovitosti, čemur sledijo polikristalni sončni moduli. Prednosti monokristalnih modulov pa izravnajo velika poraba energije in stroški gojenja kristalov silicija. Tu bi lahko imel velik potencial novejši razvoj: kvazi monokristalni moduli. To so polikristalni moduli, ki imajo zaradi posebnega nadzora podobne lastnosti kot monokristalni moduli med rastjo kristalov.
Učinkovitosti snovi ni mogoče nadalje razvijati po lastni volji in ima naravne meje - ker material lahko obdeluje le določene valovne dolžine svetlobe. Pri monokristalnih silicijevih modulih je najvišja možna stopnja učinkovitosti približno 29 do 33 odstotkov - v teoriji.
Je to doseglo konec zastave? Ne, ker nove tehnologije ustvarjajo tudi nove priložnosti. Tako imenovane tandemske sončne celice lahko na primer povečajo učinkovitost po preprostem principu: če različne materiale za različne dele svetlobnega spektra zložite drug na drugega, se poveča tudi učinkovitost. Doseženih je bilo že več kot 40 odstotkov, več kot 80 odstotkov pa si jih je mogoče zamisliti v prihodnosti.
Nadalje se izboljšuje tudi naravna učinkovitost. Japonski znanstveniki so v začetku leta 2017 objavili nov rekord učinkovitosti silicijevih sončnih celic, ki znaša 26,3 odstotka. To še ni daleč od omejitve glede materiala. Vendar tukaj velja naslednje: Višja stopnja učinkovitosti poceni sončno energijo le, če se proizvodni stroški ne dvignejo v enaki meri.
