Fundamentalna budowa ogniwa krzemowego i rola złącza P-N w efekcie fotowoltaicznym
Budowa ogniwa krzemowego opiera się na półprzewodnikach. Krzem ma cztery elektrony walencyjne. Dlatego tworzy stabilną krystaliczną sieć. Ogniwo musi mieć właściwości półprzewodnikowe. Inne pierwiastki, jak german czy selen, są rzadziej używane. Krzem jest tani i szeroko dostępny.
Warstwa N zawiera domieszkę fosforu. Fosfor dostarcza nadmiar elektronów. Elektrony są nośnikami ładunku ujemnego. Elektroda ujemna znajduje się na górze. Warstwa P zawiera domieszkę boru. Bor tworzy niedobór elektronów, czyli dziury. Dziury są nośnikami ładunku dodatniego. Elektroda dodatnia znajduje się na spodzie. Złącze P-N dzieli obie warstwy. Złącze P-N tworzy barierę potencjałów. Błyskawicznie separuje elektrony i dziury.
Efekt fotowoltaiczny został odkryty w 1839 roku przez Alexandre Edmond Becquerel. Zjawisko polega na powstaniu siły elektromotorycznej. Światło wzbudza elektrony w półprzewodniku. Na przykład elektron przeskakuje z walencyjnego do przewodnictwa. Powstaje para elektron-dziura. Pole elektryczne w złączu P-N wprawia ładunki w ruch. Ruch generuje prąd stały.
- Powłoka antyrefleksyjna: minimalizuje odbicia światła.
- Elektroda ujemna: zbiera elektrony z warstwy N.
- Warstwa N: zawiera domieszkę fosforu, prowadzi elektrony.
- Warstwa P: zawiera domieszkę boru, prowadzi dziury.
- Elektroda dodatnia: odprowadza dziury z warstwy P.
Czym różni się krzem typu N od typu P?
Krzem typu N domieszkuje się fosforem. Fosfor ma pięć elektronów walencyjnych. Powstaje nadmiar elektronów. Krzem typu P domieszkuje się borem. Bor ma trzy elektrony walencyjne. Powstają dziury, czyli braki elektronów. Różnica tworzy wewnętrzne pole elektryczne w złączu P-N.
Jaka jest rola powłoki antyrefleksyjnej w ogniwie?
Powłoka antyrefleksyjna z tlenku tytanu zmniejsza odbicia. Fotonu nie trafia z powrotem do atmosfery. Więcej fotonów absorbuje krzem. Wyższa absorpcja zwiększa liczbę wzbudzonych elektronów. Ogniwo generuje większy prąd.
Sekwencyjna zasada działania ogniwa fotowoltaicznego typu P-N: generowanie prądu stałego
Ogniwo fotowoltaiczne zasada działania rozpoczyna się od fotonu. Światło słoneczne składa się z fotonów. Foton uderza w krzem. Foton musi mieć energię co najmniej 1,1 eV. Energia otwiera przerwę wzbronioną. Elektron wybija się z atomu. Powstaje fotoemisja.
Wzbudzony elektron tworzy parę elektron-dziura. Wewnętrzne pole elektryczne złącza P-N działa jak separator. Pole pchają elektrony do warstwy N. Dziury przechodzą do warstwy P. Proces powinien przebiegać bez strat. Dzięki temu powstaje różnica potencjałów.
Różnica potencjałów generuje napięcie. Pojedyncze ogniwo fotowoltaiczne daje 0,5 V. Moc ogniwa wynosi 4-5 W. Ruch ładunków tworzy prąd stały DC. Prąd płynie do inwertera. Inwerter zamienia DC na AC. Według specjalisty: „Oświetlone złącze działa jak bateria”.
- Absorbuj foton w warstwie N.
- Wybij elektron i stwórz dziurę.
- Separatoruj ładunki złączem P-N.
- Zbierz elektrony na elektrodzie górnej.
- Prześlij prąd stały do inwertera.
| Parametr | Ogniwo jednostkowe | Moduł PV |
|---|---|---|
| Napięcie | 0,5 V | 30-40 V |
| Moc | 4-5 W | 300-400 W |
| Prąd | 9-10 A | 10 A |
Moduł składa się z 60-72 ogniw połączonych szeregowo. Łączenie równolegle zwiększa prąd.
Co dzieje się z prądem stałym?
Prąd stały trafia do inwertera. Inwerter zamienia DC na AC 230 V. AC zasila domowe urządzenia. Inwerter synchronizuje fazę z siecią. Nadwyżka energii trafia do zakładu energetycznego.
Jak ogniwa są łączone, aby utworzyć moduł PV?
Ogniwa łączy się szeregowo. Szereg sumuje napięcia 0,5 V. 60 ogniw daje 30 V. Moduły łączy się szeregowo lub równolegle. String szeregowy podłączasz do inwertera MPPT.
Dlaczego efektywność spada przy niskiej energii fotonu?
Foton poniżej 1,1 eV nie wybija elektronu. Energia przechodzi przez ogniwo. Foton o wysokiej energii powyżej 3 eV też się marnuje. Nadmiar rozprasza się jako ciepło. Ogniwo nagrzewa się i traci wydajność.
Porównanie technologii P-type i N-type: czynniki wydajności i przyszłość ogniw perowskitowych
Na rynku dominują ogniwa P-type. Stanowią 90% sprzedaży. Technologia PERC dodaje dielektryk na spodzie. Warstwa odbija niezaabsorbowane fotony. Fotony otrzymują drugą szansę. Moduły HALF CUT dzielą ogniwo na pół. Mniejsze ogniwa generują mniejsze straty. Prąd płynie krótszą drogą.
Ogniwa N-type vs P-type różnią się domieszką. P-type używa boru. N-type używa fosforu. Efekt LID występuje w P-type. Bor reaguje z tlenem. W pierwszym roku tracisz 2-3% mocy. N-type nie zawiera boru. Dlatego nie degraduje się tak szybko. Sprawność N-type przekracza 28%. Jednakże cena była wyższa o 5 eurocentów. Obecnie różnica spadła do 2-3 eurocentów.
Ogniwa perowskitowe to przyszłość. Perowskit jest lekki i elastyczny. Możesz zginać panel bez pęknięcia. Saule Technologies i Columbus Energy rozwijają technologię. Ogniwo może być transparentne. Zrewolucjonizuje fasady budynków. Wydajność teoretyczna sięga 30%.
| Parametr | Ogniwo P-type | Ogniwo N-type |
|---|---|---|
| Sprawność maksymalna | 24,5% | >28% |
| Efekt LID | 2-3% | <0,5% |
| Współczynnik temperaturowy | -0,4 %/°C | -0,3 %/°C |
| Cena za ogniwo | 0,18 EUR | 0,21 EUR |
Różnica ceny wynika z mniejszej skali produkcji N-type. Wzrost popularności obniży koszty.
Na czym polega przewaga ogniw N-type pod względem degradacji?
Ogniwa N-type nie używają boru. Brak reakcji bor-tlen eliminuje LID. W P-type nowe ogniwa z galu również minimalizują efekt. Gal wygasł patentem w 2020. Od 2021 roku 80% paneli P-type używa galu.
Czym są ogniwa HALF CUT i dlaczego są wydajniejsze?
HALF CUT dzieli ogniwo na pół. Z 156×156 mm powstaje 156×78 mm. W module mieści się 120 ogniw zamiast 60. Mniejszy prąd oznacza mniejsze straty rezystancyjne. Moduł lepiej radzi sobie przy zacienieniu.
