Jak produkowane są ogniwa fotowoltaiczne?

Każdy – także projektant czy wykonawca systemów instalacyjnych – prędzej czy później, zainteresuje się fotowoltaiką. Zwłaszcza po zapowiadanych podwyżkach cen energii elektrycznej. Warto więc poznać je „od podszewki”, bo jest to branża, która bardzo dynamicznie się rozwija. Być może niebawem instalacja fotowoltaiczna będzie standardowym wyposażeniem niemal każdego domu. Wysoki obecnie koszt w dużej mierze to konsekwencja procesu produkcyjnego.

Co to jest fotowoltaika? 

Fotowoltaika jest dziedziną nauki i techniki, która zajmuje się przetwarzaniem energii słonecznej na energię elektryczną, przy wykorzystaniu zjawiska fotowoltaicznego… czyli wytwarzaniem prądu z promieniowania słonecznego.
Fotowoltaikę często opisuje się jako: PV. Jest to międzynarodowy skrót oznaczający efekt fotowoltaiczny: PhotoVoltaic (PV): photo – światło; voltaic – napięcie.

Stara nowa technologia

Krótka historia rozwoju fotowoltaiki, w której udział mają również Polacy:
• w 1839 roku Edmund Becquerel zauważa zjawisko generowania prądu elektrycznego w niektórych materiałach poddanych naświetleniu, którego nie potrafił wyjaśnić…
• dopiero w 1905 roku Albert Einstein opisał powstawanie efektu fotowoltaicznego, za co otrzymał nagrodę Nobla,
• w 1918 roku, polski uczony, Jan Czocharski odkrył metodę wytwarzania monokryształów krzemu, które w 1941 r. stały się podstawowym składnikiem pierwszego krzemowego ogniwa fotowoltaicznego,
• pierwsze ogniwo PV o sprawności ok. 6%, oparte o krzemowe złącze p-n, zostało stworzone w 1954 r. w Bell Laboratories w USA,
• cztery lata później (1958 r.), wystrzelono w kosmos pierwszego satelitę zasilanego ogniwami fotowoltaicznymi,
• od 1975 r. – pierwsze zastosowania komercyjne fotowoltaiki,
• w 2013 r. opatentowana została nowa technologia cienkowarstwowa ogniw PV na bazie perowskitów, opracowana przez Polkę, Olgę Malinkiewicz,
• obecne badania mają na celu opracowanie taniej technologii produkcji ogniw PV, przy zwiększeniu ich sprawności i żywotności, dotyczą głównie ogniw cienkowarstwowych.

Produkcja ogniw polikrystalicznych w filmach instruktażowych
Produkcja i zasada działania, na podstawie filmów firmy SolarWorld:
Produkcja ogniwa solarnego
Jak powstają ogniwa fotowoltaiczne

Jak powstaje ogniwo? 

Ogniwa polikrystaliczne wykonane są z płytek (wafli), które wycina się z bloków krzemowych.
Materiałem podstawowym jest krzem, który już podczas krystalizacji wiąże się z atomami boru (B). Z dużego bloku krzemu wycina się mniejsze, o wymiarach odpowiadających płytce krzemowej przyszłego ogniwa PV.

W sterylnych warunkach surowe płytki krzemowe, są dokładnie czyszczone. Przez wytrawianie usuwane są nawet najdrobniejsze zanieczyszczenia pozostałe po cięciu bloków krzemowych na płytki (wafle). Z wykorzystaniem substancji chemicznych następuje dalsze oczyszczanie i formowanie powierzchni wafli solarnych – tzw. teksturowanie.

Teksturowanie powoduje wytworzenie na płytce nierównych powierzchni (wgłębień), dzięki którym zwiększa się powierzchnia ogniwa. W ten sposób, zwiększa się powierzchnia, na którą padają promienie słoneczne. Dzięki temu, ogniwo absorbuje więcej energii słonecznej i może produkować więcej energii elektrycznej.

Płytka jest następnie „fosforowana”. Wisząc parami, tyłem do siebie, płytki wkładane są do specjalnego pieca. Tam w temperaturze 800ᵒC jedna strona płytki poddawana jest napyleniu fosforem.

Na wolnych powierzchniach następuje osadzanie się gazu – fosforu. Wnika on w płytkę na poziomie atomu. W ten sposób w płytce, powstają dwie warstwy o różnych potencjałach:
• ujemnym („-”), w części warstwy płytki zawierającej atomy fosforu (P), określana jako krzem typu „n”;
• dodatnim („+”), zawierającej atomy boru (B), nazywana warstwą krzemu typu „p”. W ten sposób uzyskuje się płytkę, która przetwarza energię słonecznej w elektryczną. Można powiedzieć, że mamy już ogniwo fotowoltaiczne. Ale, to nie koniec…

Płytka o grubości 0,2 mm przechodzi kolejne kąpiele kwasowe, które wytrawiają dolną część ogniwa oraz jego brzegi. Efektem tego jest elektryczne odizolowanie dolnej, pozytywnej części ogniwa „p”(„+”), od części górnej „n” z ładunkiem ujemnym („-”).

Następny etap to umieszczenie ogniwa w komorze plazmowej. W komorze szara płytka zmienia swój kolor na niebieski. Ciemny kolor redukuje straty optyczne. Zwiększa absorpcję promieniowania słonecznego, co przekłada się na lepsze wykorzystanie energii słonecznej i przetwarzanie jej na elektryczną.
Żeby energia elektryczna (elektrony) mogła opuścić ogniwo, potrzebne są elektryczne kontakty – „przewody elektryczne”. Metodą sitodruku, na tylną część nanoszone są na płytkę specjalne druciki.
A na część przednią cieniutkie druciki kontaktowe.

W wysokiej temperaturze druciki kontaktowe „wpalane” są w płytkę – łączone na stałe z płytką. W ten sposób z płytki krzemowej powstało ogniwo słoneczne.
Każde ogniwo sprawdzane jest pod kątem pęknięć, zarysowań i innych możliwych uszkodzeń. Sprawdza się również ich sprawność i właściwości elektryczne.
W zależności od wyników badań, ogniwa sortowane są na klasy. Nawet na 32 klasy ogniw o różnych parametrach.

W artykule wykorzystano grafikę firmy SolarWorld.