Surowce do produkcji paneli fotowoltaicznych
Energia ze źródeł odnawialnych, w tym słońca, zyskuje w Polsce wielu zwolenników. Montaż instalacji pozwala uniezależnić się od dostaw energii oraz ograniczyć szkodliwy wpływ na środowisko naturalne. Warto wiedzieć, w jaki sposób produkowane są panele fotowoltaiczne, a także znać ich zasadę działania. Jakie surowce są potrzebne podczas produkcji i jak promieniowanie słoneczne jest zamieniane w niemal darmową energię elektryczną? Jaki wpływ ma panel fotowoltaiczny, wymiary, lokalizacja i inne parametry? Czy w domu prywatnym lepszy będzie panel fotowoltaiczny 1000 W, czy standardowy moduł o połowie tej mocy? Oto kilka przydatnych informacji na temat odnawialnych źródeł energii ze słońca.
Nowoczesne płytki krzemowe
Większość paneli fotowoltaicznych jest wytwarzana z płytek krzemowych. Krzem jest surowcem stanowiącym około 30% skorupy ziemskiej. Pierwiastek wydobywa się w wielu miejscach na ziemi, a jego pozyskanie nie jest obecnie zagrożone. Produkcja paneli odbywa się w wielu etapach. W pierwszym należy wytworzyć krzem, który będzie nadawał się do produkcji ogniw fotowoltaicznych. Wykorzystywana jest krystaliczna odmiana krzemu, czyli kwarcyt, który znajduje także zastosowanie w innych branżach, np. w aranżacji wnętrz budynków.
Czysty krzem krystaliczny
Materiał jest rozgrzewany w piecach w wysokiej temperaturze rzędu 1500-2000 stopni Celsjusza. Dwutlenek krzemu łączy się z węglem i w ten sposób otrzymywany jest tak zwany krzem metalurgiczny. Jego czystość wynosi 98-99%, ale nie może być bezpośrednio zastosowany w instalacjach elektronicznych. Należy go jeszcze oczyścić, co odbywa się poprzez rozpuszczenie w kwasie solnym z dodatkiem miedzi jako katalizatora. Ciecz poddawana jest destylacji, a oczyszczony krzem krystaliczny odkłada się na powierzchni elektrycznie ogrzewanego pieca.
Wykorzystanie boru i fosforu w produkcji paneli fotowoltaicznych
Kolejne pierwiastki potrzebne do produkcji paneli fotowoltaicznych to bor i fosfor. Każdy panel jest zbudowany z kolejno nałożonych na siebie warstw. Krzem w formie cylindrów jest krojony na cienkie krążki lub płytki, które w dalszej kolejności są cięte na prostokąty lub sześciokąty. Dzięki temu można je dopasować do wybranej ramy modułu fotowoltaicznego oraz stworzyć maksymalną powierzchnię, za pomocą której generowany będzie prąd elektryczny. Bor i fosfor jest używany podczas obróbki krzemu w celu wytworzenia warstwy krzemowej z ładunkiem dodatnim i ujemnym. Półprzewodniki są łączone za pomocą małych przewodów, co pozwala zbudować ścieżki, w których płynąć będzie prąd.
Warstwa krzemowa dodatnia i ujemna
Warstwa krzemowa ujemna zawiera elektrony, które mogą poruszać się swobodnie, natomiast warstwa dodatnia składa się z wolnych miejsc elektronowych, często nazywanych dziurami. Po połączeniu obu warstw elektrony zaczynają się przemieszać z warstwy ujemnej do dodatniej, co wytwarza potencjał elektryczny. Światło słoneczne, docierając do panelu, uwalnia elektron i pozostawia po sobie dziurę. Nowo powstałe miejsca wypełniają kolejne elektrony, a wolne elektrony gromadzą się na biegunie. W ten sposób zebrane elektrony przepływają przez przewodnik i powstaje energia elektryczna.
Elektrody wykonane z aluminium i srebra
Aby zachować właściwą izolację, krawędzie płytek poddawane są procesowi zwanemu wytrawianiem plazmowym. Stosowane są wtedy gazy reakcyjne, takie jak gaz tetrafluorometanowy oraz tlen, które działają agresywnie na krawędź płytki i tworzą czyste połączenie pomiędzy warstwą dodatnią i ujemną. Na ogniwa nanoszone są elektrody górne i dolne. Powinny być wykonane z materiałów o niskim oporze elektrycznym i doskonałych właściwościach mechanicznych. Dlatego często stosowane jest aluminium oraz srebro, odpowiednio dla elektrody dolnej i górnej. Surowce te są nanoszone metodą naparowania w próżni oraz metodą sitodruku.
Szklane powłoki paneli fotowoltaicznych
Powłoki szklane lub z tworzywa sztucznego
Wykorzystanie materiału i sposób obróbki ma oczywisty wpływ na podstawowe parametry, jakie mają panele fotowoltaiczne. Cena i wydajność to podstawowe cechy, na które zwraca uwagę każdy odbiorca. Warto dodać, że ogniwa są często pokrywane substancją antyrefleksyjną, a także powłoką wykonaną z gumy lub winylu. Dzięki temu nie odbijają światła, lecz ich zadaniem jest przechwytywanie promieniowania słonecznego. Dalej moduł fotowoltaiczny jest umieszczany w ramie wykonanej z aluminium oraz przykrywany taflą szkła lub warstwą wykonaną z tworzywa sztucznego. Cały zestaw tworzy gotowy do użycia panel fotowoltaiczny, z którego mogą korzystać odbiorcy indywidualni w swoich domach.
Wydajne ogniwa monokrystaliczne
Obecnie stosowane są dwa rodzaje ogniw fotowoltaicznych. Wyróżnić można ogniwa monokrystaliczne oraz polikrystaliczne. Te ostatnie są tańsze w produkcji, natomiast ogniwa monokrystaliczne mają większą wydajność. Ponadto charakteryzują się lepszą estetyką, co ma znaczenie w przypadku nowoczesnego budownictwa jednorodzinnego, zwłaszcza utrzymanego w popularnym stylu minimalistycznym. Dobrym przykładem może być panel fotowoltaiczny 500 W o zwiększonej mocy, który uznany jest za branżowy standard i pozwala na uzyskanie przeciętnej mocy około 300 W. Już panel fotowoltaiczny 500 W jest doskonałym rozwiązaniem do zastosowań na dużą skalę. Warto wymienić także panel fotowoltaiczny 1000 W, który jest popularnym wyborem do użytku domowego, a także komercyjnego.
Ekonomiczne moduły polikrystaliczne
Moduły monokrystaliczne są produkowane z krzemu formowanego w płytki, tak jak opisano powyżej. Natomiast ogniwa polikrystaliczne są zbudowane z wielu drobnych fragmentów krzemu, które są topione razem. Ma to wpływ na charakterystykę, jaką mają panele fotowoltaiczne, a cena może być bardziej atrakcyjna dla odbiorcy końcowego. Producenci redukują w ten sposób koszty, a jednocześnie nadal mogą uzyskać płytki, które można z powodzeniem zastosować w panelach fotowoltaicznych. W każdej komórce znajduje się jednak wtedy wiele kryształów i elektrony mają mniejszą swobodę ruchu. Dlatego tego rodzaju panele mają niższą wydajność niż ogniwa monokrystaliczne.
Wpływ na wydajność i opłacalność paneli
Należy zauważyć, że o wydajności paneli decyduje w dużej mierze nie tylko docierające światło słoneczne, ale jakość materiałów i sposób ich wykorzystania. Ważny jest panel fotowoltaiczny, wymiary i jego lokalizacja. Rodzaj surowca stosowanego do produkcji ogniw ma wpływ na sposób, w jaki światło zamienia się w energię elektryczną. Układ przewodów, za pomocą których ogniwa fotowoltaiczne są ze sobą połączone, wpływa na efektywność energetyczną panelu. Istotny jest także stopień odbijania promieni słonecznych, zdolność do pochłaniania światła po obu stronach panelu oraz odporność na spadek wydajności w wysokich temperaturach. Wszystkie te czynniki muszą być uwzględnione zarówno podczas produkcji, jak i montażu paneli fotowoltaicznych. W przeciwnym razie instalacja może nie osiągnąć oczekiwanej wydajności i opłacalności inwestycji.